Bài giảng về nucleic acid trong hóa sinh đại cương

NUCLEOTIDE• Nucleotide là este phosphoric của nucleoside • Đơn vị cấu tạo cơ bản của acid nucleic – Chứa 3 thành phần: • Base nito • Đường pentose 5C... Đặc điểm của cấu trúc bậc I – Các

CHƯƠNG IV: NUCLEIC ACID

NỘI DUNG

• I KHÁI NIỆM

– 1.1 Sơ đồ phân giải nucleic acid

– 1.2 Các loại nucleic acid trong tế bào

• II THÀNH PHẦN HOÁ HỌC ACID NUCLEIC

– 2.1 Các base

– 2.2 Đường pentose

– 2.3 Nucleoside

– 2.4 Nucleotide

• III CẤU TRÚC CỦA NUCLEIC ACID

– 3.1 Cấu trúc của DNA

– 3.3 Cấu trúc của RNA

• IV SINH TỔNG HỢP NUCLEIC ACID

• V SỰ PHÂN GiẢI NUCLEIC ACID

I KHÁI NIỆM VỀ ACID NUCLEIC

– Hoá học: acid nucleic polymer hợp thành

từ những đ/vị c/tạo là các nucleotide Mỗi pt

AN có thể coi là một polynucleotide với số

lượng đ/vị c/tạo khác nhau.

• 1.2 Thành phần hóa học của nucleic acid

1.2 Thành phần hóa học của nucleic acid

Từ một NST, qt thuỷ phân có thể diễn ra lần lƣợt nhƣ sau:

NUCLEOPROTEIN

Histone, Protamin Acid nucleic (ADN)

Nucleotide

H 3 PO 4 Nucleoside

Deoxyribose Các kiềm Nitơ Adenine

Guanine

(Protein)

1.2 Thành phần hóa học của nucleic acid

6

Nucleic acid

Base nito

Pentose

Phosphate

1.2.1 Các gốc base nito

Guanine Adenine Cytosine

Thymine

1.2.2 Đường pentose

-D-ribose (trong RNA) -D-deoxyribose (trong DNA)

Để phân biệt C của base và đường, đánh dấu phẩy cho số C

2.3 NUCLEOSIDE

• Hợp thành từ một base và một đường pentose qua liên kết glycoside:

– Giữa N9 trong purine và C1' của pentose

– Giữa N1 trong pyrimidine C1' của pentose

Các nucleoside được gọi tên tương ứng như bảng:

-Cytosine Cytidine (C) Deoxycytidine (dC)

(dT)

2.4 NUCLEOTIDE

• Nucleotide là este phosphoric của nucleoside

• Đơn vị cấu tạo cơ bản của acid nucleic

– Chứa 3 thành phần:

• Base nito

• Đường pentose (5C)

16

Tên các base, nucleoside và

nucleotide tương ứng

18

Tên các base, nucleoside và nucleotide tương ứng

Trong acid nucleic, các nucleotide có 1 gốc phosphate

Các nucleotide tự do trong TB có thể có 1, 2 hoặc 3 phosphate

III CẤU TẠO CỦA NUCLEIC ACID

• 3.1 Cấu tạo của DNA

• Được tạo thành từ 2 mạch polynucleotide Mỗi mạch gồm rất nhiều

3.1.1 Cấu trúc bậc I của nucleic acid

• 3.1.1.1 Khái niệm

– Là cấu trúc của chuỗi polynucleotide, trong

đó các nucleotide liên kết với nhau bằng lk

phosphodiester.

• 3.1.1.2 Đặc điểm của cấu trúc bậc I

– Các nucleotide nối với nhau bằng liên kết 3',5„ phosphodiester:

• Lk được hình thành giữa thông qua gốc phosphatenối giữa C3' của nucleotide trước với C5' củanucleotide tiếp theo

- Chuỗi được tạo ra bởi

sự nối lần lượt phosphate

- đường phosphate

-đường -, …

- Các gốc base gắn với đường nhưng nằm ra bên cạnh

- Nucleotide ở đầu chuỗi mang nhóm 5'-phosphate

tự do, nucleotide cuối có nhóm 3'-OH tự do

- Theo qui ước, chuỗi

polynucleotide có đầu

5'-P và có đuôi 3'-OH

• Các nucleotide liên kết với nhau theo một

số lượng và trình tự nhất định

– Số lượng : từ vài chục – hàng triệu nucleotide

– Trình tự sắp xếp các base trong chuỗi: : là

nền tảng cho vai trò thông tin di truyền của

DNA và RNA (nền tảng của mã di truyền)

24

3.1.2 Cấu trúc bậc II của nucleic acid

• 3.1.2.2 Các qui luật Chargaff

• Trong DNA:

–  A=  T,  G =  C

–  purin =  pyrimidin:  A+  G =  C+  T

• Tỷ lệ (A+T)/(G+C) thay đổi theo giống loài

• Trong một giống loài, thành phần các base của DNA ổn định:

– không bị ảnh hưởng từ nguồn lấy mẫu

– không thay đổi do tuổi, môi trường sống…

• Các cơ thể có quan hệ huyết thống có các base giống nhau

26

3.1.2.3 Mô hình xoắn kép DNA của Jame

Watson và Francis Crick, 1953

3.1.2.3 Mô hình xoắn kép DNA của Jame

Watson và Francis Crick, 1953

28

• Hai chuỗi đi ngược chiều và song song qua một trục chính:

– R của phân tử bằng 10A°

– Một ch/kỳ xoắn dài 34A°, với 10 cặp base, xếp

vuông góc với trục chính.

• Vành xoắn tạo bởi các ptử deoxyribose và

phosphate xếp xen kẽ liên tiếp nhau Các base A -T, G-C ph/bố thành cặp trong lòng trụ xoắn kép, gắn bởi lk hydrogen.

• Hai chuỗi quấn vào nhau và tạo ở mặt ngoài pt DNA hai rãnh:

– rãnh lớn (rãnh sâu)

Hệ quả của mô hình Watson-Crick

– Hai base purin (A, G) không thể kết đôi vì

quá to, ngược lại 2 base pyrimidin (C, T) lại

quá bé, lk hydro khó hình thành.

 Cặp A với T (hoặc U ở RNA) và cặp G với C

là những base “bổ sung” nhau

(complementary base pair).

Lk hydro

1

2 9

6 8

1 3

4 5

1 2 3

4

7

4

Giữa G và C có 3 l/kết hydro (N1-N3, C2-C2 và C6-C4)

Ý nghĩa nguyên tắc bổ sung gốc kiềm

• Thông qua nguyên tắc bổ sung gốc base, những quy

luật Chargaff được sáng tỏ

• Trình tự các base trên chuỗi này sẽ tự động qui định

trình tự các base chuỗi kia

• Chi phối và điều khiển chặt chẽ những quá trình then

3.2 Các loại nucleic acid trong tế bào

• 3.2.1 Sự khác biệt giữa Desoxyribonucleic acid (DNA) và Ribonucleic acid (RNA)

Chủ yếu tồn tại trong nhân

tế bào

Chủ yếu là ở tế bào chất

Cấu tạo dạng chuỗi xoắn

kép, lưu trữ thông tin di

truyền

Cấu tạo dạng chuỗi đơn, trực tiếp tham gia quá trình sinh tổng hợp pr

Chứa các gốc kiềm: A,T,G,C Chứa các gốc kiềm: A,U,G,C

3.2.2 Các hình thức phân tử DNA trong tế bào

• Có hai dạng pt xoắn kép DNA:

– Xoắn kép mở, như một sợi dây thừng, có hai đầu mút, dạng phổ biến của DNA ở Eucaryotes,

• VD: các NST.

– Xoắn kép vòng, phân tử không có đầu và cuối, vòng tròn khép kín;

• VD: DNA ở: VSV; trong chất nền ty thể, lục lạp ở đv và tv bậc cao

• DNA x/kép vòng thường không k/hợp với protein

– VD: E coli chứa một pt DNA x/kép vòng, không gắn histon, bản thân vòng lại xoắn nhiều tầng vào nhau thành s/xoắn rất chắc gọn, ph/bố tại vùng nhân (nuclear zone) của bào tương.

3.3 Cấu trúc của RNA

r-RNA (80%)

RNA nhân RNA hn

• Phần lớn các loại RNA có một mạch

polynucleotide (trừ RNA của một số VSV), mạch dài ngắn khác nhau tùy vai trò sinh học.

• Cấu trúc bậc nhất của RNA là số lượng và trình

tự s.xếp của các mononucleotide trong mạch

polynucleotide

• Khi chuỗi RNA cuộn gấp, nếu có những gốc

base A - U, G - C tiến đến gần nhau, giữa chúng cũng có lk hydro và nếu đoạn đủ dài sẽ có

những xoắn kép (cấu trúc bậc 2) xuất hiện dọc

phân tử.

– RNA thông tin: 2- 4%, tổng số các RNA của TB.

– Là kq của qtrình schép gien DNA, chính là bản sao đoạn mã DT, được dùng tr/tiếp trong STH protein ở ribosom.

– Ở Eucaryotes, mỗi m- RNA chỉ mã cho một protein (hoặc một chuỗi polypetide)

3.3.1 RNA thông tin (m-RNA = messenger RNA)

3.3.2 RNA ribosom (rRNA: ribosomal RNA)

• RNA ribosom: khoảng 80% tổng số các RNA

của TB.

• Ribosom có 2 hạ đ/vị (tiểu phần) gắn với nhau

một cách linh hoạt.

• Kích thước của ribosom b/động, tuỳ loại TB:

– Procaryotes thường gặp loại ribosom 70S (gồm 2

hạ đ/vị 30S và 50S) với TLPT khoảng 2,5.106 D

– Eucaryotes, ribosom lớn hơn: 80S (gồm hai hạ

đơn vị 40S và 60S), với khối lượng phân tử từ 3,9 –4,5.106 D

40

3.3.3 RNA vận chuyển (t.RNA)

• Mỗi aa được gắn vào t.RNA riêng của mình để có thể tìm đúng vị trí thứ tự trên mã của m RNA trong hệ thống ribosom

• Cấu tạo: có cấu trúc bậc 2 dạng cỏ ba lá (cloverleaf

Nhánh gắn aa: tạo bởi xoắn

kép với 7 cặp base b/sung từ đoạn đầu 5‟ và đuôi 3‟ của ph/tử Nucleotide 5‟ thường là

G hoặc C, đuôi 3‟ bao giờ cũng

là C-C-A Aminoaxyl được gắn vào vị trí 3‟.OH của A.

ở m.ARN), phần xoắn kép do 5 cặp kiềm bổ sung tạo nên.

Nhánh T (hoặc TΨC): chứa

mấy nucleotide bất thường (pseudouridine (Ψ) và thymine), phần xoắn kép do 5 cặp kiềm b/sung tạo nên.

IV SINH TỔNG HỢP ACID NUCLEIC

Sinh tổng hợp nucleotide dạng purine

Sinh tổng hợp nucleotide dạng pyrimidine

Sinh tổng hợp các deoxyribonucleotide

Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

Sinh tổng hợp DNA (tái bản DNA - Replication)

Sinh tổng hợp RNA (phiên mã -Transcription)

4.1.Sinh tổng hợp nucleotide dạng purine

Bước 2: thêm ng/tử từ Gly Một ATP được s/dụng để h/ hóa nhóm carboxyl của Gly

Bước 1: PRPP biến thành

(PRA) Glutamine là chất cho nhóm NH2 Có sự thay đổi cấu hình: lk -glycoside

thành -glycoside

Bước 3: Nhóm amine của Gly được formyl hóa bởi N10-FTHF

Bước 4: N được gắn thêm nhờ glutamine

Bước (5): loại nước, tạo vòng

- Đã có 3 trong 6 ng/tử trong vòng thứ 2 của nhân purine.

- Bước (6) và (7) chỉ có ở vi khuẩn và nấm.

- Ở eukaryote (kể cả người), 5-aminoimidazole

ribonucleotide là SP của bước (5) được carboxyl hóa tr/tiếp (1 bước) thành

Carbon cuối cùng được N 10 -FTHF cung cấp (10) Khép kín, tạo vòng thứ 2 của nhânpurine (11) SPTG tạo thành là IMP (Inosinate)

Sinh tổng hợp AMP và GMP từ IMP

Oxy hoá IMP thành

4.2.Sinh tổng hợp nucleotide dạng pyrimidine

Tổng hợp pyrimidine nucleotides UTP và CTP từ carbamoyl phosphate, aspartate và PRPP.

C2'-– Quá trình này cần một cặp H, do protein

mang H trung gian (thioredoxin) cung cấp.

54

4.4.Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

4.4.Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

THF

– Phải có DNA làm khuôn

DNA làm khuôn

dAMPdTMPdGMPdCMP

Sinh tổng hợp DNA

Giai đoạn

Giai đoạn hoàn thiện mạch kế tiếp

Giai đoạn mở đầu

• Ở E.coli:

– Trình tự nucleotide gắn đặc hiệu với các

protein mở đầu

– Tổng hợp RNA mồi (RNA primer) để

DNA-polymerase III gắn dần các mononnucletide vào đầu 3‟ – OH

62

Giai đoạn mở đầu

* Bước 1: Ph/hợp 10 – 20

ph/tử Dna A-protein và ATP

gắn vào trình tự mở đầu với

4 trình tự lặp lại Sau đó các protein kiềm tính gắn vào

vùng với 3 trình tự lặp lại

Ph/hợp này tạo đk để DNA

mở xoắn một phần.

* Bước 2: Với sự th/gia của

Dna C protein, Dna B Helicase gắn vào 2 mạch DNA, mở

xoắn DNA.

* Bước 3: Dna G Primase gắn vào và t/hợp RNA mồi Khi có

64

Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn hoàn thiện mạch kế tiếp

• DNA-Polymerase I với hoạt tính

3‟-exonuclease RNA mồi được cắt bỏ.

• DNA-Polymerase III tổng hợp lấp đầy các khoảng trống.

• DNA Ligase gắn các đoạn lại với nhau tạo thành mạch kế tiếp của DNA liên tục

4.6 Sinh tổng hợp RNA

• 4.6.1 Điều kiện cần thiết để tổng hợp RNA

– Có đủ 4 loại NTP: ATP, GTP, CTP và UTP

– Có các loại RNA-polymerase :

– Phải có DNA làm khuôn

DNA làm khuôn

AMPTMPGMPCMP

Giai đoạn mở đầu

• RNA-Polymerase hoạt động gắn vào DNA và trượt tự do trên DNA

• Khi gặp trình tự mở đầu RNA-Polymerase tạo với gen khởi động (Promoter) phức hợp Promoter “đóng” trong

đó DNA chưa mở xoắn

• Sau đó phức hợp Promoter “đóng” chuyển sang dạng phức hợp Promoter “mở” trong đó DNA được cởi xoắn

• Phức hợp này gắn pppPu vào và quá trình tổng hợp bắt đầu

74

Giai đoạn tổng hợp

• Trên khuôn của mạch DNA,

RNA-Polymerase gắn các gốc mononucleotide ATP, GTP, CTP, và UTP.

• Khi tạo ra đoạn oligonucleotide khoảng 8 nucleotide, tiểu đơn vị  được tách ra khỏi phức hợp, RNA-Polymerase trong “phồng” phiên mã (transcription buble) tiếp tục xúc tác phản ứng tổng hợp mạch

polynucleotide

Giai đoạn kết thúc

• Cách 1: Cần sự tham gia của yếu tố kết

thúc - yếu tố  (Rho)

– Yếu tố  gắn vào phức hợp

DNA-RNA-Polymerase và trượt về phía 3‟ của mạch

polynucleotide tổng hợp  giảm sự tương tác giữa DNA khuôn và polynucleotide  phân ly phức hợp:

• Giải phóng DNA

• RNA mới tổng hợp

• RNA-Polymerase

76

Giai đoạn kết thúc

• Cách 2: Qúa trình phiên mã kết thúc khi mạch

polynucleotide hình thành cấu trúc kiểu cặp tóc

– Phức hợp sẽ bị phân ly: giải phóng RNA mới tổng

hợp, DNA và RNA polymerase

• Các RNA mởi tổng hợp nằm ở dạng tiền RNA, chưa có hoạt tính sinh học

• mRNA được bảo vệ khỏi bị thuỷ phân nhờ việc gắn “mữ”

ở đầu 5‟-OH và gắn đuôi poly A vào đầu 3‟-OH

• Các tRNA, rRNA được hình thành từ tiền RNA nhờ tác dụng thuỷ phân của các enzyme đặc hiệu

78

V PHÂN GIẢI CÁC NUCLEIC ACID

Nucleosidase

Sự phân giải các purine nucleotide