Chương 4: Nucleic acid

Nucleic acid có vai trò quan trọng trong sinh học. Chúng là những chất mang thông tin di truyền và chuyển những thông tin di truyền này đến trao đổi chất. Cấu tạo của chúng gồm nhiều đơn phân có ba...

79 Chương Nucleic acid 4.1 Thành phần hoá học nucleic acid Nucleic acid, vật chất mang thông tin di truyền hệ thống sống, polymer hình thành từ monomer nucleotide Trong nucleic acid có chứa nguyên tố C, H, O, N P Hàm lượng P từ 8- 10% Mỗi nucleotide gồm thành phần kết hợp với theo tỷ lệ 1:1:1, bao gồm: nhóm phosphate, đường pentose (là đường carbon) base nitơ (nitrogen) 4.1.1 Base nitơ (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,6aminopyrimidine) uracil (2,6 dioxypyrimidine).( Hình 4.1.) Hình 4.1 Cơng thức cấu tạo base nitơ (nitrogen) nucleic acid 4.1.2 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 4.1.3 Phosphoric acid Là acid vơ - H3PO4 80 Hình Công thức cấu tạo hai loại đường pentose nucleic acid 4.1.4 Sự tạo thành nucleoside Nucleoside sản phẩm thuỷ phân khơng hồn tồn nucleic acid Nucleoside gồm có hai thành phần đường pentose base nitơ (nitrogen, thuộc purine hay pyrimidine) 81 Hình Cấu tạo hoá học nucleoside nucleotide 4.1.5 Sự tạo thành nucleotide Nucleotide sản phẩm thuỷ phân khơng hồn tồn nucleic acid Nucleotide gồm có ba thành phần: đường pentose, base nitơ (nitrogen) phosphoric acid (Hình 4.3) 4.1.6 Sự tạo thành nucleic acid Các nucleotide nối với liên kết phosphodiester Acide thơng qua nhóm OH vị trí C3’ C5’ đường pentose để tạo thành chuỗi dài gọi polynucleotide Do liên kết phosphodiester tao thành vị trí C3’ C5’ nên chuỗi polypeptide có tính phân cực: đầu 5’ thường có gốc phosphate đầu 3’ thường có OH tự Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo giống DNA (desoxyribonucleic acid) RNA (ribonucleic acid) 4.1.7 Một số nucleotide quan trọng không tham gia cấu tạo nucleic acid - ADP ATP 82 ADP (adenosindiphosphate) ATP (adenosintriphosphate) dẫn xuất adenine, chúng tham gia q trình phosphoryl hố-oxy hố ATP coi nguồn phosphate cao tế bào (Hình 4.4) Hình 4.4 Cấu tạo hố học ADP ATP - cAMP(AMP vịng) Adenosinemonophosphate vịng hình thành từ ATP, cAMP tìm thấy tế bào động vật vi khuẩn, thường liên kết với màng bào tương tế bào tham gia nhiều trình chuyển hố cAMP sinh nhờ số hormone hoạt hố adenylcyclase (Hình 4.5.) - UDP UTP UDP (uridinediphosphate) UTP (uridinetriphosphate) dẫn xuất uracil coenzyme quan trọng phản ứng trung gian chuyển hố glucose galactose Ngồi ra, chúng cịn tham gia việc hình thành hợp chất phosphate giàu lượng Hình 4.5 Cấu tạo hố học AMP vòng (cAMP) - CDP CTP CDP (cytidindiphosphate) CTP (cytidinetriphosphate) dẫn xuất cytidine CTP hợp chất giàu lương co thể tham gia nhiều phản ứng khác như: phosphoryl hoá ethanolamine để 83 dẫn đến sinh tổng hợp cephaline phản ứng với phosphate choline để hình thành cytidinediphosphate-choline (CDP-Choline, hình 4.6) Hình 4.6 Cấu tạo hố học CDP- cholin 4.1.8 Các coenzyme nucleotide Hiện người ta biết số nucleotide tham gia cấu tạo nên coenzyme quan trọng vitamin B5 (pantothenic acid) coezyme A (SH-CoA), vitamin B2 (riboflavine) coenzyme flavin adenine đinucleotide (FAD) vitamin PP (nicotinamide) coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) v.v Chúng phosphoryl hoá làm chức phận nhóm ngoại enzyme chuyển hố trung gian, (hình 4.7) 84 FAD Hình 4.7 Cấu tạo hoá học số coenzyme 4.2 Cấu trúc nucleic acid 4.2.1 DNA (Desoxyribonucleic acid) Phân tử DNA chuỗi xoắn kép gồm hai chuỗi đơn Mỗi chuỗi đơn chuỗi nucleotide Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường desoxyribose bốn base thường ký hiệu chữ base (A-adenine, C- cytosine, Gguanine T- thymine) Hai chuỗi đơn kết hợp với nhờ liên kết hydrogen hình thành base bổ sung nằm hai chuỗi: A bổ sung cho T C bổ sung cho G Mỗi chuỗi đơn có trình tự định hướng với đầu 5’phosphate tự do, đầu 3’ hydroxyl tự (quy ước 5’ → 3’ Hướng hai chuỗi đơn chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên gọi hai chuỗi đối song Những phân tích cấu trúc đại cho thấy 85 cấu trúc DNA luôn tương ứng với dạng gọi B mà Watson Crick đưa Do tác động hợp chất có trọng lượng nhỏ protein dạng B chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) dạng Z (xoắn trái) Chúng tự gấp lại (DNA) xoắn mạnh, ví dụ chuỗi kép DNA có độ dài 20 cm nén chromosome có kích thước μm Liên kết hydrogen nm 3,4 nm 0,34 nm (a) Cấu trúc DNA (b) Cấu trúc hóa học phần DNA Hình 4.8 Chuỗi xoắn kép DNA Phân tử DNA nhiễm sắc thể sinh vật eukaryote dạng thẳng, phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA có dạng vịng Dù dạng phân tử DNA tồn dạng cuộn chặt Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với protein histone 86 Trục đường-phosphate Các base Thymine (T) Adenine (A) Cytosine (C) DNA nucleotide Phosphate Đường (deoxyribose) Guanine (G) Hình 4.9 Cấu trúc nucleotide điển hình DNA eukaryote có kích thước lớn (ví dụ DNA người dài đến m) nên câu hỏi đặt phân tử phải nén vào thể tích hạn chế nhân Việc nén thực nhiều mức độ, mức độ thấp nucleosome mức độ cao cấuo trúc nhiễm sắc chất Thật vậy, đường kính chuỗi xoắn DNA 20 A , sợi nhiễm sắc chất quan sát kính hiển vi điện tử có đường kính o o 100 A , đạt 300 A Điều chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình o thành cấu trúc phức tạp (Hình 4.10) Sợi có đường kính 100 A chuỗi nhiều nucleosome Đó cấu trúc hình thành từ 87 o chuỗi DNA quấn quanh lõi gồm phân tử histon Sợi 100 A o tổ chức thành cấu trúc phức tạp sợi có đường kính 300 A Trong nhân tế bào, sợi vừa kể kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác với RNA tạo hành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao DNA Chuỗi xoắn kép DNA nm Dạng xâu chuỗi nhiễm sắc thể 11 nm Sợi nhiễm sắc chất đường kính 30 nm gồm nucleosome đóng gói 30 nm Vùng nhiễm sắc thể dạng lỏng lẽo 300 nm Vùng nén chặt nhiễm sắc thể trung kỳ 700 nm Nhiễm sắc thể trung kỳ 1400 nm Hình 4.10 Cấu trúc nucleosome nhiễm sắc thể Phân tử DNA xếp nhiễm sắc thể làm cho chiều dài ngắn lại 50.000 lần Các DNA eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote Tồn phân tử DNA prokaryote mang thơng tin mã hóa cho protein DNA eukaryote bao gồm trình tự mã hố (các exon) 88 xen kẽ với trình tự khơng mã hố (intron) Các trình tự mã hố eukaryote chìm ngập khối lớn DNA mà chưa rõ tác dụng Tùy theo mức độ diện chúng nhân, trình tự DNA chia làm ba loại: - Các trình tự lặp lại nhiều lần Ví dụ: động vật có vú trình tự chiếm 10-15% genome (hệ gen) Đó trình tự DNA ngắn (10200 kb), khơng mã hố, thường tập trung vùng chuyên biệt nhiễm sắc thể vùng tâm động (trình tự CEN) hay đầu nhiễm sắc thể (trình tự TEL) Chức trình tự chưa rõ, chúng tham gia vào q trình di chuyển DNA thoi vơ sắc (trình tự CEN) vào q trình chép tồn vẹn phần DNA nằm đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL) - Các trình tự có số lần lặp lại trung bình Ví dụ: genome người trình tự chiếm 25-40 % Chúng đa dạng có kích thước lớn (100-1.000 kb) trình tự lặp lại nhiều lần Các trình tự phân bố tồn bộ gen Chúng trình tự khơng mã hóa mà trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA RNA 5S - Các trình tự nhất: gen mã hóa cho protein, có trình tự đặc trưng cho gen Một đặc điểm phân tử DNA có ý nghĩa quan trọng sử dụng vào phương pháp lai phân tử Đó khả biến tính hồi tính Biến tính tượng hai sợi đơn phân tử DNA tách rời liên kết hydrogen base bổ sung nằm hai sợi bị đứt tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay tác nhân vật lý (nhiệt) Sau đó, điều chỉnh nhiệt độ nồng độ muối thích hợp, sợi đơn bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, hồi tính 4.2.2 RNA (Ribonucleic acid ) Phân tử RNA có cấu tạo tương tự DNA với ba điểm khác biệt sau: - Phân tử RNA chuỗi đơn - Đường pentose phân tử DNA deoxyribose thay ribose - Thymine, bốn loại base hình thành nên phân tử DNA, thay uracil phân tử RNA Cấu trúc chức RNA có biến đổi rõ rệt Về RNA chất mang thông tin di truyền virus, sau người ta chứng minh khơng đóng vai trị việc chuyển thơng tin di truyền mà cịn có vai trị cấu trúc tạo nên phức hệ RNA-protein 89 Theo lý thuyết tiến hóa mà đại diện Manfred Eigen, RNA chất mang thông tin di truyền, thành viên trung gian biểu gen, thành phần cấu tạo chất xúc tác Nhóm OH rượu vị trí thứ hai ribose cần thiết cho đa chức làm nhiễu loạn tạo thành chuỗi kép, qua làm tăng độ khơng bền vững liên kết photphodieste Trong tế bào có ba loại RNA chính, có chức khác nhau: - Các RNA thơng tin (mRNA) mRNA trình tự định phân tử DNA, có vai trị trung tâm chuyển thơng tin mã hóa phân tử DNA đến máy giải mã thành phân tử protein tương ứng Các RNA có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so với DNA chứa thơng tin mã hóa cho vài protein chiếm khoảng 2-5% tổng số RNA tế bào Q trình chuyển thơng tin thể sau: Phiên mã DNA Dịch mã RNA Protein Ở Escherichia coli, kích thước trung bình phân tử mRNA khoảng 1,2 kb - RNA vận chuyển (tRNA) tRNA làm nhiệm vụ vận chuyển amino acid hoạt hóa đến ribosome để tổng hợp protein từ mRNA tương ứng Có loại tRNA cho loại amino acid tRNA vận chuyển chứa khoảng 75 nucleotide (có trọng lượng khoảng 25 kDa), phân tử RNA nhỏ Các tRNA có cấu trúc dạng cỏ ba (Hình 7) Cấu trúc ổn định nhờ liên kết bổ sung diện nhiều vùng phân tử tRNA Hai vị trí khơng có liên kết bổ sung đóng vai trị đặc biệt quan trọng chức tRNA: - Trình tự anticodon gồm ba nucleotide - Trình tự CCA, có khả liên kết cộng hóa trị với amino acid đặc trưng - RNA ribosome (rRNA) rRNA thành phần ribosome, vừa đóng vai trị xúc tác cấu trúc tổng hợp protein Tùy theo hệ số lắng rRNA chia thành nhiều loại: eukaryote có rRNA 28S, 18S, 5,8S 5S, rRNA E coli có ba loại: 23S, 90 16S 5S rRNA chiếm nhiều ba loại RNA (80% tổng số RNA tế bào), tiếp đến tRNA mRNA chiếm 5% Ribosome tế bào gồm tiểu đơn vị nhỏ tiểu đơn vị lớn Mỗi tiểu đơn vị có mang nhiều protein rRNA có kích thước khác Amino acid anticodon Hình 4.11 Mơ hình cấu trúc tRNA - Một số loại RNA khác Tế bào sinh vật nhân chuẩn chứa số loại RNA khác, chúng có vai trò định máy tổng hợp protein như: + snRNA (small nuclear) phân tử RNA nhỏ tham gia vào việc ghép nối exon + hn RNA( heterogenous nuclear) RNA không đồng nhân tế bào + scRNA (small cytoplasmic) RNA nhỏ tế bào chất 91 Bảng 4.1 Các phân tử RNA E coli Loại Tổng số tương đối (%) rRNA 80 tRNA mRNA 15 Hệ số lắng (S) Khối lượng phân tử (kDa) Số lượng nucleotide 23 16 1,2 × 103 0,55 × 103 3,6 × 101 2,5 × 101 Không đồng 3700 1700 120 75 Nhìn chung tất RNA tế bào tổng hợp nhờ enzyme RNA polymerase Enzyme địi hỏi thành phần sau đây: a) Một khn mẫu, thường DNA chuỗi đôi b) Tiền chất hoạt hóa: Bốn ribonucleoside triphosphate: ATP, GTP, UTP CTP Sinh tổng hợp RNA giống DNA số điểm, thứ hướng tổng hợp 5’ → 3’, thứ hai chế kéo dài giống nhau: nhóm 3’-OH đầu cuối chuỗi tổng hợp vị trí gắn kết nucleoside triphosphate Thứ ba, tổng hợp xảy thủy phân pyrophosphate Tuy nhiên, khác với DNA RNA khơng địi hỏi mồi (primer) Ngồi RNA polymerase khơng có hoạt tính nuclease để sửa chữa nucleotide bị gắn nhầm Cả ba loại RNA tế bào tổng hợp E coli nhờ loại RNA polymerase Ở động vật có vú RNA khác tổng hợp loại RNA polymerase khác 4.3 Một số tính chất nucleic acid Dung dịch nucleic acid có độ nhớt cao, có hoạt tính quang học (làm quay mặt phẳng ánh sang phân cực) Nucleic acid hấp thụ mạnh vùng ánh sáng tử ngoại có bước sóng 250-280 nm, cực đại hấp thụ 260 nm Tính chất sử dụng để dịnh lượng nucleic acid xác định độ nucleic acid Khi đun nóng dung dịch nucleic acid nhiệt độ cao, thêm acd kiềm để ion hố base nó, nucleic acid bị biến tính Phân tử DNA xoắn kép bị tháo rời, độ hấp thụ bước song 260 nm tăng lên Sự tăng độ hấp thụ gọi tượng tăng sắc tố (hyperchromism) Nhiệt độ làm nửa cấu trúc xoắn kép cuả phân tử DNA gọi nhiệt độ 92 nóng chảy (melting temperature) viết tắt Tm Các DNA giàu base G C có nhiệt độ nóng chảy cao DNA phản ứng với thuốc thử fucsin tạo thành màu đỏ (phản ứng Feulgen), phản ứng thường sử dụng hoá tế bào Để phân biệt DNA RNA người ta dùng phản ứng đặc trưng với thuốc thử orcine tạo thành màu xanh lục bền, desoxyribose DNA phản ứng với diphenylamine tạo thành màu xanh da trời bền TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình 1980 Hố sinh học NXB Y học, Hà Nội Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng 1999 Hoá sinh học NXB Giáo dục, Hà Nội Hồ Huỳnh Thuỳ Dương 1998 Sinh học phân tử NXB Giáo dục, Hà Nội Phạm Thành Hổ 2001 Di truyền học, (tái lần thứ 3) NXB Giáo dục, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh Lehninger A.L , 2004 Principle of Biochemistry , 4th Ed., E-Book Lodish H., 2003 Molecular Cell Biology 5th Ed E-book ... thường có OH tự Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo giống DNA (desoxyribonucleic acid) RNA (ribonucleic acid) 4.1.7 Một số nucleotide quan trọng không tham gia cấu tạo nucleic acid - ADP... Tính chất sử dụng để dịnh lượng nucleic acid xác định độ nucleic acid Khi đun nóng dung dịch nucleic acid nhiệt độ cao, thêm acd kiềm để ion hoá base nó, nucleic acid bị biến tính Phân tử DNA xoắn... polymerase khác 4.3 Một số tính chất nucleic acid Dung dịch nucleic acid có độ nhớt cao, có hoạt tính quang học (làm quay mặt phẳng ánh sang phân cực) Nucleic acid hấp thụ mạnh vùng ánh sáng tử