SỰ ĐA DẠNG CỦA AXIT NUCLEIC

SỰ ĐA DẠNG CỦA AXIT NUCLEIC - Acid Nucleic hợp chất cao phân tử đóng vai trò quan trọng hoạt động sống thể sinh vật Chúng tham gia vào trình sống sinh tổng hợp protein, sinh trưởng, sinh sản di truyền - Trong thời gian dài nhà hóa học nhà nghiên cứu sinh lý dinh dưỡng coi protein, lipid carbonhydrate ba chất quan trọng tạo nên thể sống - Acid Nucleic bao gồm deoxyribonucleic acid (DNA) ribonucleic acid (RNA), đại phân tử sinh học có trọng lượng phân tử lớn với thành phần gồm nguyên tố C, H, O, N P; chúng cấu thành từ nhiều đơn phân (monomer) nucleotide - Các đơn phân nối với liên kết phosphodiester tạo thành cấu trúc đa phân (polymer) gọi chuỗi, mạch (chain) hay sợi (strand) polynucleotide - cấu trúc sơ cấp phân tử nucleic acid Quan điểm cho acid nucleic cấu tử trơ nhân tế bào chất mãi lãng quên từ chất thứ tư – acid nucleic chứng minh chất quan trọng so với chất trước Cấu trúc nucleotid : a Thành phần hóa học nucleotid: gồm phần * Base nitơ: Là hợp chất purime pyrimidine dị vòng có chứa nitơ có tính kiềm Về dẫn xuất purime bao gồm adenine(A), guanine (G), pyrimidine bao gồm thymine(T), uracil (U) cytosine (C) * Đường pentose Đường pentose nucleic acid gồm có hai loại đường deoxyribose ribose Sự có mặt loại đường đặc điểm để phân biệt DNA RNA * Phosphoric acid : Là acid vô - H3PO4 b Cấu trúc nucleotid - Các base đường RNA DNA nối với thành đơn vị gọi nucleoside - Mỗi nucleoside tạo thành base nối với đường pentose vị trí C1 liên kết β-N-glycosid Tên gọi nucleoside bắt nguồn từ base tương ứng, nucleoside dẫn xuất purime có đuôi-osine dẫn xuất pyrimidine có đuôi idine - Base Nitơ liên kết với glucozid với pentoza tạo nucleotid Từ loại đường pentoza loại base nitơ tạp loại nucleotid ( A, G, C, T, U)- H3PO4 liên kết ester với nhóm OH pentoza nucleotid tạo nên nucleotid tương ứng: Liên kết với C’2-OH tạo nucleotid 2’-mono photphat Liên kết với C’3-OH tạo nucleotid 3’-mono photphat Liên kết với C’5-OH tạo nucleotid 5’-mono photphat Trong có loại nucleotid-5’-mono (P) tham gia cấu tạo nên AND ARN Với loại: + Dezoxi adenozin-5’-mono-P, + Dezoxi guanozin-5’-mono-P, + Dezoxi cytidin-5’-mono-P, + Dezoxi timidin-5’-mono-P * Ngoài nucleotid thường, ARN chia làm nhiều loại nucleotid biến đổi (nucleotid hiếm), nucleotid tạo thành phần có + baso nitơ + Riboza bị metyl hóa C2 + Cấu trúc nucleotid thay đổi pseudouridin liên kết glucozid tạo từ C1 Riboza với N3 uraxin mà với C5’ uraxin * Tính đa dạng chuỗi polynucleotid: Từ loại nucleotid tạo vô số phân tử polynucleotid khác nhau, phân tử đặc trưng bởi: + Thành phần nucleotid chuỗi + Số lượng loại nucleotid chuỗi + Trật tự xếp nucleotid chuỗi Sự đa dạng chuỗi polynucleotid tạo nên tính đa dạng AND ARN Tính đa dạng ADN a Đa dạng thành phần - ADN loại phân tử lớn (đại phân tử), có cấu trúc đa phân, bào gồm nhiều đơn phân nucleotit - Mỗi nucleotit gồm: C5H10O5 ( đường deoxiribo), axit photphoric (H3PO4) loại bazo nitric ( A, T, G, X) * Các bazo nito (Nitrogen): Các base nitơ (nitrogen) thuộc phân tử nucleic acid dẫn xuất base purine pyrimidine Các base purine gồm adenine (6-amino purine) guanine (2-amino, 6-aminopurine), base nitơ pyrimidine gồm thymine (2,6-dioxy, 5-methylpyrimidine), cytosine(2-oxy,6-aminopyrimidine) uracil (2,6 dioxypyrimidine) * Đường Pentozo: Đường pentose nucleic acid gồm có hai loại đường deoxyribose ribose Sự có mặt loại đường đặc điểm để phân biệt DNA RNA * Axit photphoric: Là acid vô - H3PO4 - Năm 1944, Oswald T Avery đông chứng minh DNA vật chất mang thông tin di truyền, protein Đến năm 1949, Erwin Chargaff áp dụng phương pháp sắc ký giấy vào việc phân tích thành phần hóa học DNA loài khác khám phá rằng: + Số lượng loại base DNA không + Tỷ lệ tương đối base không ngẫu nhiên; tất mẫu DNA nghiên cứu tồn mối tương qua hàm lượng (%) base sau: A=T G=C, nghĩa tỷ số (A+G/T+C) = + Mỗi loài có tỷ lệ (A+T/G+C) đặc thù Đa dạng hình thái Sơi đơn Sợi đơn thẳng Sợi đôi Sợi đơn vòng Sợi đôi thẳng Sợi đôi Vòng đơn Vòng kín Sợi đôi Vòng kép Vòng hở Kích thước ADN: Kích thước ADN đa dạng, từ vài ngàn cặp bazo đến hàng triệu cặp bazo - Vi khuẩn Escherichia coli đối tượng sữ dụng rộng rãi nghiên cứu di truyền phân tử gen có kích thước 4.639.221 cặp bazo, với 4290 gen mã hóa protein 53 gen RNA - Về phần plasmid, ví dụ chi Borella có nhiều plasmid vòng thẳng với kích thước biến thiên từ 5-200 kbp - Bộ gen người chuột khoảng tỷ Cấu trúc không gian ADN: ADN có nhiều kiểu cấu trúc khác Mỗi kiểu cấu trúc tồn điều kiện riêng chúng chuyển đổi lẫn thay đổi điều kiện tương ứng Hiện người ta tìm thấy tế bào ADN tồn dạng B, A, C, D, Z, E dạng B phổ biến Cấu trúc không gian ADN dạng B ( theo Watson - Crick 1953) Cấu trúc không gian ADN theo Watson - Crick có đặc điểm sau: - Hai chuỗi polynucleotid đối song, xoắn theo chiều phải - Khung dizoxiriboza H3PO4 nằm bề mặt phân tử - Các bazo Nito hướng vào phía chuỗi xoắn Mặt phẳng bazo Nito song song với thẳng góc với trục phân tử Hai bazo nito chuỗi liên kết với theo nguyên tắc bổ sung Hai cặp bazo nito gần xếp lệch góc 360 ADN - B có vai trò quan trọng chế truyền đạt thông tin di truyền * Cấu trúc ADN dạng Z: Năm 1982-1983 người ta phát có mặt ADN dạng Z NST sâu bọ gặm nhấm; tế bào người ADN - Z có đặc điểm sau: - Khung đường H3PO4 có dạng zigzak - Xoắn chạt so với ADN dạng B, vòng xoắn có 12 đôi bazo nito với chiều dài 4,6nm Đường kính vòn xoắn 1,8nm, nghĩa phân tử nhỏ dài dạng ADN-B có số Nucleotid - Sự tạo nên dạng Z dạng bazo nito dạng anti dạng syn tạo nên Do khung phân tử bị gấp khúc tạo dạng zigzak Bảng 1: Các dạng cấu trúc DNA Đặc tính Dạng cấu trúc B A C D Chiều xoắn phải phải phải trái Số cặp N 10,0 (10,5) 10,9 12 vòng Đường kính vòng 20A0 23A0 19A0 18A0 xoắn Khoẳng cách 2N 3,4A0 2,9A0 3,3A0 3,4A0 Chiều dài vòng 34A0 ( 35,7A0) 32A0 31A0 45A0 xoắn Góc bazo với 900 200 180 trục Góc bazo 360 32,70 38,60 -300 ARN - Đơn phân ARN ribonucleotid từ ribonucleotid liên kết với tạo thành chuỗi polyribonucleotid - ARN loại axit nucleic có đặc điểm thành phần, cấu tạo giống AND thành phần chứa riboza thay dezoxi riboza AND - Có 40 loại nucleotid a.ARN thông tin (ARNm) + Chức ARN thông tin: - Các ARN thông tin loại ARN quan trọng dùng làm khuôn trực tiếp cho trình tổng hợp chuỗi polypeptide tế bào chất ARN thông tin mang phần thông tin di truyền tới ribosom nơi xảy trình tổng hợp protein - ARN thông tin gồm chuỗi nucleotid với loại base A, U, C, G Chính trình tự base tạo thành thông tin dạng mã, nhóm gồm nucleotid ARN thông tin tạo thành mã Mỗi mã mã hóa acid amin đặc hiệu Số lượng ARN m tế bào khác không giống nhau, tế bào người có khoảng 80000-100000 ARN khác tế bào gồm phần chính:  Mũ-bảo vệ đầu 5’ tránh khỏi bị phân hủy enzim thủy phân  Phần không mã hóa dài 17-20 Nu đặt ba mở đầu vào vị trí riboxom  Mã mở đầu- tổng hợp polypeptid riboxom  Phần mã hóa Axit amin  Mã kết thúc (một ba mã: UAG, UAA, UGA)  Đuôi( gồm đoạn poly A- có khoảng 150-200A) Kích thước ARN thông tin thay đổi nhiều liên quan trực tiếp đến kích thước protein mà mã hóa Chiều dài đoạn mã hóa ARN thông tin dài gấp lần số lượng acid amin protein ARN vận chuyển (t ARN) + Chức - Với hai chức vận chuyển amino acid biệt hóa từ tế bào chất đến phức hệ “ ribosome- mARN” để tiến hành việc đọc dịch mã cho codon cụ thể mARN + Cấu trúc - ARN có cấu trúc không gian đặc trưng có cấu trúc chia nhiều thùy dạng chẻ ba có dạng vòng liên kết bổ sung, có đoạn hình thành liên kết bổ sung Cấu trúc ổn định nhờ liên kết hydro base bổ sung ARN vận chuyển - Cuống tạo thành nhờ liên kết hydro base bổ sung đoạn xoắn kép ngắn, đoạn liên kết bổ sung xuất base      Tay nhận axit amin Vùng chứa nucleotid loại D Vùng đối mã Vùng phụ chưa 4-21 nucleotid chưa rõ chức Vùng chứa ba TΨ C ARN riboxom (r ARN) Chức - Các ARN riboxom với protein đặc thù thành phần cấu trúc nên ribosome tổng hợp protein tế bào - Giúp ribosom kết hợp dễ dàng với ARN khác (ARNt, ARNm) -Nhận biết vị trí khởi đầu (AUG) ARNm trình dịch mã vi khuẩn + Cấu trúc Riboxom gồm hai tiểu thể: tiểu thể lớn tiểu thể bé - Tiểu thể lớn procariote có kích thước 50S tiểu thể bé 30S - Tiểu thể lớn eucariotecó kích thước 60S tiểu thể bé 40S Ở vi khuẩn có loại rARN có hệ số lắng 23S, 16S 5S với số lượng nucleotid 2904, 1542 120 - Ở tế bào eucariote có loại rARN với hệ số lắng 28S, 18S, 5,8S 5S riêng tế bào thực vật có thêm rARN mã hóa chloroplast ADN RNA kích thước nhỏ nhân (snRNA, small nuclear RNA) Tế bào eukaryote chứa phân tử snRNA tìm thấy nhân chiếm < 1% SnRNA chứa nhiều gốc Uridine sữa đổi với loại U1, U2, U4, U5, U6, U7, U8, U9, U10,… loại đầu có vai trò quan trọng việc xữ lý pre-mARN Chức năng: SnRNA tham gia vào trình trưởng thành mRNA, rRNA cần cho trình tổng hợp protein tế bào chất Trong loại đầu, loại liên kết với số phân tử protein để hình thành nên snRNP (small nuclear ribonucleoprotein particle) Trừ U4 U6 thường tìm thấy snRNP, loại khác tìm thấy snRNP riêng biệt Phân tử pre-mARN liên kết với snRNP tạo thành phức hệ gọi spliceosom để thực việc cắt bỏ intron cách tương tác với đầu mút intron nhằm kéo hai đầu mút xích lại tạo cấu trúc thòng lộng nhờ enzim tiến hành cắt đoạn intron nối exon lại với RNA tế bào chất nhỏ (scRNA, small cytoplasmic RNA) Các phân tử RNA trọng lượng phân tử thấp phát tế bào chất với chức khác Ví dụ: RNA 7S vốn thành phần tiểu phần nhận biết tín hiệu pRNA (prosomal RNA), RNA bé kết hợp với khoảng 20 protein bọc gói với mRNA mRNP hay thể thông tin (informosome) vốn có tác dụng điều hoà biểu gene f RNA mồi ( Primer – ARN ) + Sợi RNA sinh RNA polymerase ( primase) + Chức năng: Trong trình tổng hợp DNA, Chuỗi muộn tổng hợp từ đoạn ngắn ( đoạn Okazaki) ngược chiều với chiều phát triển chạc tái Mỗi doạn cần phải có mồi riêng Trong di chuyển quảng , primosom ( có primase) tổng hợp đoạn ngắn ARN mồi ( 10-60 nucleotid) để từ AND tiếp nối nhờ AND polymerase III, tạo thành đoạn okazali Khi đoạn Okazaki hoàn chỉnh, ẢN mồi tách nhờ AND polymerase I g Ribonuclease (RNase) Các phân tử RNA mà xúc tác cho phản ứng hoá học, enzyme chứa RNA (RNA enzymes) Chúng diện nơi, số lượng không nhiều RNA khác chúng có vai trò quan trọng số trình sinh học Chức RNAse tham gia vào trình biến đổi tiền mRNA thành mRNA (RNA-processing), điều khiển phiên mã phân giải mRNA Một số phản ứng dạng RNAase xúc tác trình tự RNA (ribozyme) Các mononucleotide bị thuỷ phân enzyme (phosphatase, nucleosidase) tạo nên sản phẩm cuối base purine pyrimidine Các ARN - polimeraza có vai trò phiên mã, nghĩa xúc tác tổng hợp ARN *Phân loại: RNase phân biệt hoạt tính exo endo, tác động vào đầu cuối định (exo-enzyme) trình tự đặc hiệu (endo-enzyme): - Endoribonucleases: RNase A, RNase H, RNase P, RNase V1, RNase T2, RNase U2, RNase T1, RNase L, RNase I, RNase III,… - Exoribonucleases: polynucleotide phosphorylase (PNPase), RNase PH, RNase II, RNase R, RNase D, RNase T, Exoribonuclease I, Exoribonuclease II,… h ARN can thiệp (RNAi – RNA interference) + Vai trò: RNAi có nhiều chức quan trọng tế bào : - Bảo vệ tế bào chống lại gene ký sinh trùng, virut yếu tố di truyền vận động ( Transposon) - Điều hoà biểu gene - Điều khiển phát triển tổ chức - Giữ gìn NST tăng cường phiên mã Có thể RNAi có nhiều chức khác mà người chua khám phá hết, khám phá tương lai Hoạt động chức Ở tế bào prokaryote có kiểu tái điển hình • Tái bảo thủ: Là hình thức tái mà từ ADN mẹ cho hai ADN con, phân tử tổng hợp hoàn toàn, phân tử bảo toàn từ ADN • Tái bán bảo thủ: Là hình thức tái mà từ ADN mẹ cho hai ADN con, ADN có chuỗi tổng hợp chuỗi phân tử ADN mẹ truyền cho • Tái gián đoạn: Là hình thức tái mà phân tử ADN khuôn cắt tạo đoạn ngắn Trên đoạn tiến hành tái theo kiểu bảo thủ, hay kiểu bán bảo thủ, sau đoạn tổng hợp nối lại với cho hai phân tử ADN Trong hình thức hình thức tái bán bảo thủ phổ biến nghiên cứu đầy đủ Một số điểm khác biệt trình tái ADN sinh vật nhân thực sinh vật nhân sơ: Đặc điểm Sinh thực vật nhân Vị trí khởi điểm tái Nhiều Một Kiểu tổng hợp Liên tục Gián đoạn Enzim tham gia Nhiều Ít Đoạn mồi ~ base ~ 10-12 base Đoạn Okazaki 100-200 Nucleotide 1000-2000 Tốc độ tổng hợp Chậm Nhanh Hoạt động tổng hợp ARN Sinh vật nhân sơ - Trong gen tế bào procaryote eucaryote có gen mã hóa cho tRNA - Ở vi khuẩn, thông thường gen mã hóa cho số tRNA khác VD:ở E Coli, gen mã hóa cho loại tRNA khác - Ở tế bào eucaryote, số lượng gen mã hóa cho tRNA nhiều tế bào vi khuẩn Ở tế bào nấm men S Cerevisiae, người ta xác định 46 loại tRNA khác nhau, có đến khoảng 360 gen mã hóa cho tRNA …… Như vậy, tính đa dạng Acid Nucleic chủ yếu số lượng, thành phần trình tự xếp Nucleotide Ngoài đa dạng cấu trúc hóa học, cấu trúc không gian ARN ADN Tính đa dạng Axit nucleic sở phân tử cho tính đa dạng, phong phú mặt di truyền loài sinh vật ... tính đa dạng Acid Nucleic chủ yếu số lượng, thành phần trình tự xếp Nucleotide Ngoài đa dạng cấu trúc hóa học, cấu trúc không gian ARN ADN Tính đa dạng Axit nucleic sở phân tử cho tính đa dạng, ... tự xếp nucleotid chuỗi Sự đa dạng chuỗi polynucleotid tạo nên tính đa dạng AND ARN Tính đa dạng ADN a Đa dạng thành phần - ADN loại phân tử lớn (đại phân tử), có cấu trúc đa phân, bào gồm nhiều... tử nhỏ dài dạng ADN-B có số Nucleotid - Sự tạo nên dạng Z dạng bazo nito dạng anti dạng syn tạo nên Do khung phân tử bị gấp khúc tạo dạng zigzak Bảng 1: Các dạng cấu trúc DNA Đặc tính Dạng cấu