SINH HỌC PHÂN TỬ (KHÁI NIỆM, NGUYÊN LÝ & QUÁ TRÌNH)

ĐẠI HỌC HUẾ TRUNG TÂM ĐÀO TẠO TỪ XA HOÀNG TRỌNG PHÁN SINH HỌC PHÂN TỬ (KHÁI NIỆM, NGUYÊN LÝ & Q TRÌNH) Huế - 2012 L i nói đ u Để góp phần đổi nội dung giáo trình Sinh học phân tử Trung tâm Đào tạo Từ xa – Đại học Huế theo hướng cập nhật kiến thức phương pháp dạy - học phù hợp với đối tượng đặc thù, tham cứu nhiều tài liệu cố gắng biên soạn giáo trình tinh thần Nội dung giáo trình gồm tám chương bao quát kiến thức Sinh học phân tử mà học viên sinh viên Trung tâm trường Đại học cần nắm vững để vận dụng tốt vào cơng tác nghiên cứu giảng dạy Chương 1: Cấu trúc chức đại phân tử sinh học Chương 2: Tổ chức gen sinh vật Chương 3: Cấu trúc chức gen Chương 4: Tái gen Chương 5: Phiên mã dịch mã Chương 6: Điều hòa biểu gen Chương 7: Các biến đổi gen Chương 8: Các phương pháp sinh học phân tử công nghệ ADN tái tổ hợp Mở đầu chương có phần giới thiệu mục tiêu giúp người học xác định chủ đề cần tìm hiểu Sau chương có phần Tóm tắt nhằm giúp người học nắm nội dung khái quát chương Cuối phần Câu hỏi Bài tập, với 15-25 câu chương, yêu cầu người học tập vận dụng hiểu biết vào giải chúng trước sang chương Đặc biệt, biên soạn chúng tơi có đưa thêm phần Hướng dẫn Trả lời Câu hỏi Bài tập cuối chương với số vấn đề liên quan thiết yếu khác vào phần Phụ lục (đặt cuối sách) nhằm giúp người học tra cứu, tham khảo cách học giải vấn đề cần Hy vọng giáo trình đáp ứng nhu cầu học tập học viên sinh viên môn học khó Tuy nhiên, khn khổ có hạn nên số chủ để đề cập sâu sách Hơn nữa, với khả có hạn, chắn sách khơng thể tránh khỏi sai sót biên soạn Chúng tơi mong nhận phê bình bảo quý đồng nghiệp bạn đọc để giáo trình hồn chỉnh lần in sau Huế, ngày 20 tháng năm 2012 Tác giả HOÀNG TRỌNG PHÁN Chương CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC Đối với nghiên cứu sinh học sở, bốn đại phân tử quan trọng phải kể đến các axit nucleic, protein, polysaccharide lipid Tuy nhiên, quan điểm sinh học phân tử, protein axit nucleic hai loại hợp chất quan trọng mà chủ yếu ADN thành phần chúng Việc nghiên cứu cấu trúc chức axit nucleic thực kỷ XX Vào năm 1944, O.T Avery, MacLeod McCarty lần chứng minh ADN vật chất mang thơng tin di truyền Kế đó, khám phá cấu trúc phân tử ADN James Watson Francis Crick năm 1953 với hệ kiện khoa học bật kỷ XX, đặt tảng cho đời phát tiển di truyền học sinh học phân tử Trong chương này, tìm hiểu vấn đề sau: (i) Cấu trúc chức axit nucleic; (ii) Cấu trúc chức protein; (iii) Cấu trúc chức polysaccharide lipid; (iv) Các liên kết hóa học hệ thống sống Cấu trúc chức Axit Nucleic 1.1 Đại cương axit nucleic Ngày biết vật chất di truyền hay gen sinh vật trái đất axit nucleic mà hầu hết acid deoxyribonucleic (ADN) số virus acid ribonucleic (ARN) Điều chứng minh qua thí nghiệm kinh điển tiếng, là: (i) Thí nghiệm biến nạp vi khuẩn thực Griffith (1928) sau nhóm nghiên cứu Avery cộng (1944); (ii) Thí nghiệm Hershey Chase thể thực khuẩn T2; (iii) Thí nghiệm Conrat Singer virus đốm thuốc (1956) Các axit nucleic 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 đơn phân (monomer) - nucleotide; đơn phân nối với liên kết phosphodiester tạo thành cấu trúc đa phân (polymer) gọi chuỗi, mạch hay sợi polynucleotide - cấu trúc sơ cấp phân tử ADN ARN Vật chất di truyền có đặc tính thiết yếu sau: (1) Đặc tính thơng tin sinh học: Nó chứa đựng tồn thơng tin di truyền cần thiết cho việc xác định cấu trúc protein đặc thù loài (các gen cấu trúc) điều khiển hoạt động sinh trưởng, phân chia biệt hố tế bào (2) Đặc tính tái bản: Đó khả tự chép xác, đảm bảo thông tin di truyền hệ sau giống với hệ trước (3) Đặc tính hoạt động gen: Các gen gen có khả tổng hợp sản phẩm phân tử tham gia vào động sống tế bào Đó q trình phiên mã, dịch mã điều hòa hoạt động gen (4) Đặc tính biến đổi: Đó khả bị biến đổi gen từ trình khác đột biến, tái tổ hợp, yếu tố di truyền vận động Chính biến đổi tạo nguồn biến dị di truyền đa dạng phong phú cho trình chọn lọc tiến hoá sinh giới kể từ sống bắt đầu hình thành trái đất cách chừng tỷ rưỡi năm 1.2 Cấu trúc nucleotide Đơn vị cấu trúc sở axit nucleic nucleotide Mỗi nucleotide gồm có: bazơ nitơ, đường pentose, axit phosphoric Bazơ nitơ - thành phần đặc trưng nucleotide - hợp chất purine pyrimidine dị vịng chứa nitơ có tính kiềm ADN chứa bốn loại bazơ adenine (A), guanine (G), thymine (T) cytosine (C); ARN chứa loại thế, khác uracil thay cho thymine (Hình 1.1) Ngồi ra, ADN cịn có mặt bazơ bị biến đổi chủ yếu methyl hố vị trí khác nhau, ví dụ: 5-methylcytosine, 5-hydroxymethylcytosine, 7-methylguanine v.v (Hình 1.2) Đường pentose ARN D-ribose ADN 2'-deoxy-D-ribose (ký hiệu D dạng đường quay phải trước ánh sáng phân cực để phân biệt với dạng L quay trái khơng có thành phần axit nucleic tự nhiên) Các phân tử đường có cấu trúc vịng Vì nguyên tử carbon xếp liên tục nên đánh số thứ tự có dấu phẩy đầu, ví dụ C1', C2' C5' (Hình 1.3) Hình 1.1 Cấu trúc loại bazơ có mặt ADN ARN Hình 1.2 Một số dạng bazơ bị biến đổi chủ yếu methyl hố Hình 1.3 (a) Cấu trúc phân tử đường ribose deoxyribose (b) Cấu trúc ribonucleotide Adenine ARN Hai phân tử đường khác C2'; ribose nhóm hydroxyl deoxyribose nguyên tử hydro Từ gốc đường khác tạo hai loại nucleotide ribonucleotide deoxyribonucleotide - cấu tạo nên hai loại axit nucleic khác ARN ADN Cần để ý rằng, phân tử đường có ba vị trí quan trọng có chứa nhóm hydroxyl (–OH) tự do, là: (i) nhóm –OH vị trí C1' có khả hình thành liên kết N-glycosid với gốc NH bazơ để tạo thành nucleoside; (ii) nhóm -OH vị trí C5' có khả hình thành liên kết ester với nhóm phosphate để tạo nucleotide; (iii) nhóm –OH vị trí C3' có khả hình thành liên kết phosphodiester với nhóm phosphate nucleotide khác để tạo chuỗi polynucleotide Như vậy, tính phân cực gốc đường mà từ định tính phân cực chuỗi polynucleotide thể hai vị trí C3' C5' Trong nucleotide ADN ARN, nhóm phosphate liên kết với nucleoside C5' Mỗi nucleoside tạo thành bazơ nối với đường C1' liên kết N-glycoside Cụ thể, C1' nối với N1 pyrimidine với N9 purine Tên gọi thức hay danh pháp nucleoside bắt nguồn từ bazơ tương ứng, nucleoside dẫn xuất purine có -osine dẫn xuất pyrimidine có -idine (Bảng 1.1) Tóm lại, nucleotide gồm thành phần kết dính với sau: gốc đường nối với bazơ C1' liên kết β-glycosid nối với nhóm phosphate C5' liên kết phosphomonoester (Hình 1.4) Bảng 1.1 Tên gọi nucleoside nucleotide ARN ADN Bazơ Nucleoside Nucleotide ARN Adenine (A) Adenosine Adenosine 5'-monophosphate (AMP) Guanine (G) Guanosine Guanosine 5'-monophosphate (GMP) Cytosine (C) Cytidine Cytidine 5'-monophosphate (CMP) Uracil (U) Uridine Uridine 5'-monophosphate (UMP) ADN Adenine (A) Deoxyadenosine Deoxyadenosine 5'-phosphate (dAMP) Guanine (G) Deoxyguanosine Deoxyguanosine 5'-phosphate (dGMP) Cytosine (C) Deoxycytidine Deoxycytidine 5'-phosphate (dCMP) Thymine (T) Deoxythymidine Deoxythymidine 5'-phosphate (dTMP) 1.3 Cấu trúc chuỗi polynucleotide Các nucleotide ADN ARN nối với mối liên kết đồng hố trị (covalent) có tên liên kết 3',5'-phosphodiester (giữa gốc đường nucleotide với nhóm phosphate nucleotide kế tiếp), tạo thành chuỗi polynucleotide Vì chuỗi kéo dài theo chiều 5'→3' (đầu 5' mang nhóm phosphate đầu 3' chứa nhóm -OH tự do) Chúng có khung vững gồm gốc đường phosphate xếp luân phiên nhau, bazơ nằm bên Trình tự bazơ đọc theo chiều xác định 5'→3' Đây cấu trúc sơ cấp ADN ARN (Hình 1.5) Hình 1.4 Cấu trúc deoxyribonucleotide (dAMP) Thơng thường người ta biểu diễn trình tự bazơ 5'→3' theo chiều từ trái sang phải Hình 1.5 cho thấy chuỗi ADN ARN khác bazơ U T gốc đường nucleotide chúng Nếu bỏ qua khác biệt gốc đường, ta hình dung trình tự bazơ hai chuỗi polynucleotide ADN ARN sinh trưởng theo chiều từ 5' đến 3' (5'→3'), sau: Chuỗi ADN: (5') pApApTpTpCpTpTpApApApTpTpC -OH (3') Chuỗi ARN: (5') pApApUpUpCpUpUpApApApUpUpC -OH (3') Cần lưu ý rằng: (1) Các hợp chất dùng để polymer hoá nucleoside triphosphate, monomer axit nucleic lại monophosphate Phản ứng trùng hợp xúc tác enzyme ADN polymerase ARN polymerase (2) Các oligonucleotide đoạn có độ dài thường ~10-100 nucleotide Các oligoribonucleotide tồn tự nhiên sử dụng đoạn mồi (primer) tái ADN cho mục đích khác tế bào Các oligonucleotide tổng hợp tạo tổng hợp hố học nguyên liệu thiết yếu cho kỹ thuật sinh học phân tử, như: giải mã di truyền ống nghiệm; xác định trình tự ADN, phản ứng trùng hợp chuỗi polymerase (polymerase chain reaction = PCR), lai chỗ (in situ hybridization), mẩu dò axit nucleic, lai axit nucleic v.v Chuỗi polynucleotide ẢN sai khác ở: Ribose (-OH) bazơ Uracil Hình 1.5 Cấu trúc chuỗi polynucleotide ADN (trên) ARN 1.4 Cấu trúc phân tử ADN 1.4.1 Thành phần hóa học ADN Bảng 1.2 Thành phần bazơ ADN số loài Sinh vật A% T% G% C% A+G T +C A+T G+C Phage lambda 21,3 22,9 28,6 27,2 1,00 0,79 Phage T7 26,0 26,0 24,0 24,0 1,00 1,08 Mycobacterium tuberculosis 15,1 14,6 34,9 35,4 1,00 0,42 Escherichia coli 24,7 23,6 26,0 25,7 1,03 0,93 Aspergillus niger (nấm mốc) 25,0 24,9 25,1 25,0 1,00 1,00 Saccharomyces cerevisiae 31,3 32,9 18,7 17,1 1,00 1,79 Triticum (lúa mỳ) 27,3 27,1 22,7 22,8 1,00 1,19 Zea mays (ngô) 26,8 27,2 22,8 23,2 0,98 1,17 Salmo salar (cá hồi) 29,7 29,1 20,8 20,4 1,02 1,43 Gallus domestica (gà nhà) 29,5 27,7 22,4 20,4 1,08 1,34 Homo sapiens (người) 30,9 29,4 19,9 19,8 1,01 1,52 Hình 1.6 (a) R Franklin; (b) Nhiễu xạ tia X ADN, (c) Ảnh chụp Erwin Chargaff (1949) lần áp dụng phương pháp sắc ký giấy vào việc phân tích thành phần hóa học ADN loài khác khám phá (Bảng 1.2): (i) Số lượng bốn loại bazơ ADN không nhau; (ii) Tỷ lệ tương đối bazơ không ngẫu nhiên; tất mẫu ADN nghiên cứu có tương quan hàm lượng (%) bazơ: A ≈ T G ≈ C, nghĩa tỷ số (A+G)/(T+C) ≈ 1; (iii) Mỗi lồi có tỷ lệ (A+T)/(G+C) đặc thù 1.4.2 Cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN Vào năm 1951-1952, việc nghiên cứu cấu trúc ba chiều ADN phân tích nhiễu xạ tia X bắt đầu Maurice Wilkins Rosalind Franklin (Hình 1.6) Các ảnh chụp gợi ý ADN có cấu trúc xoắn gồm hai ba chuỗi Tuy nhiên, giải pháp đắn chuỗi xoắn kép bổ sung Watson Crick đưa năm 1953 (Hình 1.7 1.8) Mơ hình hồn hồn tồn phù hợp với số liệu Wilkins Franklin Chargaff Sự kiện mở bước ngoặt cho cho đời phát triển nhanh chóng sinh học phân tử Với phát minh mơ hình cấu trúc phân tử ADN, Watson Crick chia sẻ với Wilkins giải thưởng Nobel năm 1962 Hình 1.7 J.Watson (trái) F.Crick với M Wilkins bên cạnh mơ hình cấu trúc phân tử ADN làm nên tên tuổi họ Mơ hình Watson-Crick (hay ADN dạng B) có đặc điểm sau: (1) ADN gồm hai chuỗi đối song song (antiparallel) uốn quanh trục trung tâm theo chiều xoắn phải, với đường kính 20Ao (1Angstrom = 10-10m), gồm nhiều vòng xoắn lặp lại cách đặn chiều cao vòng xoắn 34 Ao, ứng với 10 cặp bazơ (base pair = bp) (2) Các khung đường-phosphate phân bố mặt chuỗi xoắn bazơ nằm bên trong; chúng xếp mặt phẳng song song với thẳng góc với trục phân tử, với khoảng cách ~3,4 Ao (3) Hai mạch đơn ADN gắn với liên kết hydro cặp bazơ đối diện (nằm cách khoảng 3Ao) theo nguyên tắc bổ sung, là: A-T (2 liên kết hydro) G-C (3 liên kết) - Hình 1.8 1.9a (4) Tính chất bổ sung theo cặp bazơ dẫn đến bổ sung trình tự bazơ hai mạch đơn chuỗi xoắn kép Vì vậy, phân tử ADN mạch kép đoạn A+G có: A = T G = C; nghĩa là: [A + G] = [T + C] hay = , tỷ lệ T+C A+T đặc thù cho loài Như vậy, mơ hình cấu trúc chuỗi xoắn kép Watson-Crick G+C (1953) hoàn toàn thoả mãn kết nghiên cứu Chargaff (1949); biểu thức A = T G = C gọi quy luật Chargaff (Chargaff's rules) Vì vậy, biết trình tự bazơ mạch đơn ADN, ta xác định trình tự bazơ mạch bổ sung Ví dụ: Mạch (cho trước): 5'- AATTCTTAAATTC -3' Mạch (bổ sung): 3'- TTAAGAATTTAAG -5' Tóm lại, hai đặc điểm quan trọng cấu trúc ADN phân cực ngược chiều hai mạch đơn (5'→3' 3'→5') nguyên tắc bổ sung cặp bazơ (A-T G-C) Đây hai nguyên lý chi phối chế di truyền cấp độ phân tử (tái bản, phiên mã dịch mã), mà ta hình dung tổng qt sơ đồ gọi Giáo lý trung tâm Sinh học phân tử Hình 1.8 Các mơ hình cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN (a) (b) Hình 1.9 (a) Hai kiểu kết cặp bazơ bổ sung A-T G-C (b) Sơ đồ minh họa khả kết cặp “1 pyrimidine - pyrimidine”, “1 purine - purine”, “1 purine - pyrimidine” (xem giải thích bài) Cần lưu ý rằng, theo nguyên tắc kết cặp bazơ đối diện mạch đơn ADN có trường hợp sau: "1 pyrimidine - pyrimidine", "1 purine - purine", "1 purine - pyrimidine" Hình 1.9b Tuy nhiên, ta thấy, hai trường hợp đầu cho thấy chúng mỏng dày so với đường kính phân tử Chỉ có trường hợp "1 purine - pyrimidine" phù hợp Như có kiểu kết cặp A-T, G-C, A-C G-T; có hai kiểu A-T 10 G-C bền vững, cịn kiểu A-C G-T có liên kết hydro, bền nên chúng xuất ngoại lệ có hỗ biến bazơ hậu dẫn tới phát sinh đột biến thay bazơ dạng đồng hốn q trình tái ADN (chương 7) 1.4.3 Các dạng biến đổi ADN Mơ hình Watson-Crick hay ADN dạng B cấu trúc phổ biến Tuy nhiên, sau người ta phát nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D ); chúng có số biến đổi so với ADN-B (Bảng 1.3) Bên cạnh dạng ADN xoắn phải (A, B, C ), Alexander Rich đồng (1979) phát thêm dạng ADN xoắn trái Dạng ADN có khung zigzag uốn gập khúc theo chiều xoắn trái, vòng xoắn dài 45,6Ao chứa 12 cặp bazơ Nhìn chung, so với ADN dạng B, ADN-Z dài thon gầy hơn, rãnh lớn bị dẹt phần bề mặt chuỗi xoắn; ADN dạng A ngắn mập (Hình 1.10; Bảng 1.3) Bảng 1.3 Một số đặc điểm ADN dạng A, B Z Dạng Chiều xoắn Số bp/vòng xoắn Đường kính chuỗi xoắn A Phải 11,0 23Ao B Phải 10,0 19Ao Z Trái 12,0 18Ao Những vùng ADN có chứa purine pyrimidine xếp xen kẽ mạch tiếp nhận cấu hình ADN-Z, ví dụ: 5' CGCGCG 3' 3' GCGCGC 5' Sự chuyển đổi diễn thuận lợi có mặt 5-methylcytosine trạng thái siêu xoắn âm (negative supercoiling) ADN phân tử động học, chuyển từ cấu hình sang cấu hình khác dựa lực bên tế bào Sự chuyển đổi từ dạng B sang dạng Z có liên quan đến điều hoà biểu gen Cấu trúc có mặt tế bào sống với tỷ lệ nhỏ song chức cịn chưa thật hiểu rõ Hình 1.10 Các mơ hình ADN dạng A, B Z 1.4.4 Đặc tính hóa lý ADN Một đặc điểm quan trọng ADN hai mạch đơn bổ sung gắn với 11 liên kết hydro, vốn lực hóa học yếu nên chúng bị phân hủy tác dụng enzyme, lượng làm cho hai mạch đơn chuỗi xoắn kép tách rời nhau, gọi biến tính (denaturation) Nhờ ADN tái gen phiên mã biểu sản phẩm chúng Mặt khác, ADN phục hồi trạng thái ban đầu gọi hồi tính (renaturation) Bằng thực nghiệm, người ta chứng minh điều cách sử dụng tác nhân vật lý hóa học khác Chẳng hạn, đun nóng từ từ đun nóng từ từ dung dịch chứa ADN nhiệt độ vừa phải, phân tử ADN bị biến tính phần, tăng lên tới nhiệt độ gần 100oC (thường 90-95oC) liên kết hydro chúng bị phá hủy hoàn toàn hai mạch bổ sung tách (biến tính hồn tồn) Điều giải thích sau: Vì cặp A-T có hai liên kết hydro, bền so với cặp G-C có tới ba liên kết, vùng giàu cặp A-T tách phần trước, vùng giàu cặp G-C giữ nguyên đặc tính xoắn kép tách nhiệt độ cao Ngược lại, làm nguội từ từ dung dịch ADN nóng chảy hồn tồn mạch đơn thường cặp lại với mạch bổ sung chúng làm phục hồi cấu trúc chuỗi xoắn kép lúc đầu Đây hai trình thuận-nghịch – Biến tính hay tách hai mạch chuỗi xoắn kép ADN Trong tỷ số G với C A với T ADN sinh vật cố định, hàm lượng GC (tỷ lệ phần trăm G + C) sai khác cách đáng kể ADN thuộc loài khác Bảng 1.4 cho thấy hàm lượng GC ADN nhiều loài sinh vật Các trị số biến thiên từ 22% đến 73%, điều phản ảnh sai khác đặc tính ADN Nhiệt độ mà mạch ADN tách nửa gọi nhiệt độ nóng chảy (melting temperature), ký hiệu Tm Tm điểm pha chuyển tiếp tùy thuộc vào hàm lượng GC ADN, nghĩa đặc trưng cho ADN loài Trên thực tế, hàm lượng GC ADN cao Tm cao (Hình 1.12) Ví dụ, ADN E coli với 50-51% GC có Tm 6970oC Tương tự, kết xử lý nhiệt ADN phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae nhiệt độ nóng chảy đo gia tăng độ hấp thụ 260-nm cho phép thu đường cong nóng chảy vi khuẩn Tm cho ADN điều kiện khoảng 85oC (Hình 1.11) Bảng 1.4 Hàm lượng tương đối (G + C) ADN khác Nguồn ADN (G+C)% Nguồn ADN (G+C)% Dictyostelium (mốc nhầy) 22 Lách chuột 44 Streptococcus pyogens 34 Tinh trùng cá hồi 44 Bacillus cereus 37 B subtilis 44 Hemophilus influenzae 39 Escherichia coli 51 Saccharomyces cerevisiae 39 Phage T7 51 Tuyến ức bê 40 Phage T3 53 Gan chuột (Rattus) 40 Neurospora crassa 54 Streptococcus pneumoniae 42 Herpes simplex virus 72 Mầm lúa mỳ 43 Mycobacterium phlei 73 12 Hình 1.11 Đường cong nóng chảy ADN Streptococcus pneumoniae ADN sợi kép bị biến tính việc đun nóng nhiệt độ nóng chảy đo tăng độ hấp thụ bước sóng 260 nm Điểm mà 50% cặp bazơ bị biến tính hay nửa ADN có dạng sợi đơn gọi nhiệt độ nóng chảy (Tm) Ở ví dụ khoảng 85oC (Phỏng theo P Doty, The Harvey Lectures 55:121, 1961) – Sự phục hồi trạng thái nguyên thể ADN hay hồi tính Một hai mạch ADN tách ra, điều kiện thích hợp chúng kết hợp trở lại phục hồi trạng thái ban đầu Góp phần vào hiệu "hồi tính" ADN có nhiều nhân tố Dưới nêu lên ba nhân tố quan trọng nhất: (i) Nhiệt độ tối ưu cho hồi tính ADN khoảng 25oC nhiệt độ nóng chảy nó; (ii) Nồng độ ADN dung dịch quan trọng Trong giới hạn hợp lý, nồng dộ ADN cao hai mạch bổ sung dễ dàng bắt gặp thời gian Nói cách khác, nồng độ cao hàn gắn trở lại nhanh (iii) Thời gian cho phép hai mạch hàn gắn trở lại dài hồi tính xảy dễ dàng Hình 1.12 Mối quan hệ nhiệt độ nóng chảy ADN hàm lượng GC ADN có AT (AT-DNA) ADN tổng hợp bao gồm chủ yếu A T (hàm lượng GC = 0) (Phỏng theo P Doty, The Harvey Lectures 55:121, 1961) 13 1.4.5 Chức ADN Ngày nay, biết ADN hay gen tất sinh vật nói chung có chức mang đầy đủ tồn thơng tin di truyền đặc trưng lồi Thông tin ghi lại dạng mật mã, gọi mã di truyền, chứa đựng gen cấu trúc yếu tố điều hòa để điều khiển hoạt động sinh trưởng, phân chia biệt hoá tế bào Các chức chế truyền đạt thơng tin di truyền yếu ADN mơ tả tóm tắt Hơn nữa, ADN hay vật chất di truyền nói chung có khả tự chép cách xác thân q trình tái (replication) Đấy sở tự nhân đôi nhiễm sắc thể phân chia tế bào, qua truyền đạt vật chất di truyền cho hệ sau Đó cịn q trình hoạt động điều hồ biểu gen gen, thường kể đến tình phiên mã (transcription) dịch mã (translation) để tổng hợp phân tử ARN cuối protein tham gia vào cấu trúc hoạt động sở tế bào Nhờ mà sinh thường giống với cha mẹ, lồi trì ổn định tương đối gen nói rộng là, nhờ mà sống trì cách liên tục kể từ sống bắt đầu hình thành trái đất cách chừng ba tỷ rưỡi năm Mặt khác, ADN cịn có khả phát sinh biến đổi trình phát triển cá thể sinh sản Đó đột biến gen (gene mutations) gây tác động tác nhân vật lý hoá học khác nhau, sai sót q trình tái bản, dịch chuyển vị trí thân gen gen - yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements) hay gọi gen nhảy (jumping genes) – gây nên biến động gen biến đổi kiểu hình Ngồi ra, cịn q trình tái tổ hợp di truyền (genetic recombination) tạo nên biến dị tổ hợp phong phú đa dạng trình sinh sản sinh vật Chính q trình biến đổi đa dạng không ngừng tạo nên nguồn biến dị di truyền sơ cấp thứ cấp cho chọn lọc tiến hoá sinh giới Cấu trúc chức protein 2.1 Cấu trúc protein Các protein polymer sinh học tạo kết nối axit amin (amino acid) với liên kết peptide Có 20 loại L-α-axit amin phát protein tế bào Về cấu trúc, nói chung, axit amin gồm có nguyên tử carbon alpha (Cα) vị trí trung tâm, đính xung quanh nhóm ạmin (-NH2), nhóm carboxyl (-COOH), nguyên tử hydro (-H) gốc R hay chuỗi bên đặc trưng cho loại axit amin (Hình 1.14) Khi trạng thái dung dịch, nhóm amin carboxyl thường phân ly thành trạng thái ion, tương ứng +H3Nvà -COO− (Hình 1.13) 14 (a) (b) Hình 1.13 (a) Cấu trúc chung axit amin (b) Một dipeptide Hai axit amin nối với liên kết peptide (−CO−NH−) nhóm carboxyl axit amin với nhóm amin axit amin loại trừ phân tử nước; axit amin kết nối với tạo thành chuỗi gồm nhiều axit amin, gọi polypeptide (Hình 1.15) Mỗi chuỗi polypeptide ln ln có chiều xác định +H3N → COO− (do tác dụng peptydyltransferase) đặc trưng số lượng, thành phần chủ yếu trình tự xếp axit amin Có bốn mức độ cấu trúc protein (xem Hình 1.16) Cấu trúc protein bậc I trình tự xếp axit amin chuỗi polypeptide Đây bậc cấu trúc sở quan trọng tất protein gen quy định 15 Hình 1.14 Cấu tạo 20 loại axit amin thuộc nhóm khác Hình 1.15 Sự hình thành liên kết peptide axit amin Hình 1.16 Bốn bậc cấu trúc protein 16 Cấu trúc protein bậc II xảy trình tự axit amin chuỗi polypeptide nối với liên kết hydro Cấu trúc có hai kiểu bản, là: chuỗi xoắn alpha (xoắn trái) beta (gấp nếp) Cấu trúc protein bậc III xảy lực hấp dẫn có mặt vùng xoắn alpha beta gấp nếp chuỗi polypeptide, hình thành nên cấu trúc cuộn gập có dạng khối cầu Một số protein chức có cấu trúc kiểu này, ví dụ myoglobin Cấu trúc protein bậc IV protein gồm hai nhiều chuỗi polypeptide loại khác loại kết hợp với Có nhiều protein chức có kiểu cấu trúc này; số hemoglobin cịn có thêm ion kim loại Fe++ túi hem 2.2 Chức protein Nói chung, protein hợp chất hữu vốn sở sống, với chức thiết yếu sau (Hình 1.17): Hình 1.17 Tổng quát cấu trúc chức protein (i) Các protein thành phần cấu tạo sở tế bào, bao gồm màng tế bào, bào quan, máy di truyền chúng Đó protein dạng mạch làm thành quan, phận thể động vật, như: collagen làm nên xương, sụn, gân da; keratin cấu tạo nên lớp ngồi da tóc, móng, sừng lơng; (ii) Các enzyme đóng vai trị xúc tác cho tất phản ứng hóa học tế bào thể protein hình cầu Quan trọng enzyme tham gia vào đường chuyển hóa enzyme tham gia vào trình truyền thơng tin di truyền tế bào (Hình 1.18) 17 Hình 1.18 Lysozyme lịng trắng trứng gà (a) Lysozyme tự (b) Lysozyme có chất bám vào (Phỏng theo Horton et al, 2006) (iii) Các kháng thể (antibodies) hệ thống miễn dịch, gọi immunoglobulin, làm hàng ngàn protein khác vốn sinh huyết máu phản ứng lại với kháng ngun (antigens) Chúng đóng vai trị bảo vệ thể chống lại xâm nhập vật lạ (iv) Các hormone protein bắt nguồn từ tuyến nội tiết khơng hoạt động enzyme Thay kích thích quan đích, chúng kiểm sốt hoạt động quan trọng, tốc độ chuyển hóa sản xuất enzyme tiêu hóa sữa chẳng hạn Insulin (từ tuyến tụy) điều hịa chuyển hóa carbohydrate cách kiểm soát mức glucose máu Thyroglobulin (từ tuyến giáp) điều hịa q trình chuyển hóa nói chung; calcitonin từ tuyến giáp làm hạ thấp mức calci máu (v) Ngồi ra, protein cịn nguồn dinh dưỡng cung cấp lượng cho tế bào thể trì hoạt động trao đổi chất lớn lên Ví dụ hemoglobin mang sinh chất theo máu khắp thể; fibrinogen fibrin biến đổi từ vốn có máu cần thiết cho q trình đơng máu Các protein mà chủ yếu myosin phối hợp với actin tạo thành actomyosin, chịu trách nhiệm cho hoạt động co Cấu trúc chức Polysaccharide 3.1 Cấu trúc Polysaccharide Các polysaccharide hợp chất carbohydrate nói chung có hành phần hóa học gồm nguyên tố C, H O, theo tỷ lệ thông thường 1:2:1 hay (CH2O)n Đơn phân cấu tạo nên chúng monosaccharide, chủ yếu glucose Các monosaccharide nối với liên kết glycosid tạo thành chuỗi polysaccharide (Hình 1.19 1.20) Hình 1.19 (a) Glucose (b) cellulose Cellulose polymer mạch thẳng gốc glucose nối với liên kết glycosid 18 Hình 1.20 Sự hình thành disaccharide Lactose (a) Sucrose (b) liên kết β1,4- α1,2-glycosid 3.2 Chức Polysaccharide Các polysaccharide có hai chức quan trọng tế bào, tham gia vào cấu tạo dự trữ lượng Về cấu tạo, cellulose tạo nên vách tế bào thực vật hợp chất hữu có mặt phổ biến sinh Về lượng, nguồn dự trữ lượng tế bào động vật glycogen, tế bào thực vật tinh bột Cấu trúc chức Lipid 4.1 Cấu trúc Lipid Đon vị cấu trúc sở lipid axit béo Mỗi axit béo bao gồm chuỗi hydrocarbon đính vào nhóm carboxyl (–CƠOH); chúng khác chiều dài mạch, số carbon số lượng vị trí liên kết đơi carbon-carbon (C=C) Các axit béo phổ biến tế bào có số nguyên tử carbon thường 14, 16, 18 20 (xem Bảng 1.5) Các axit béo thường viết tắt Cx:y, x số lượng carbon chuỗi y số liên kết đôi Chuỗi hay mạch hydrocarbon dài axit béo khơng chứa liên kết đơi gọi axit béo no hay bão hịa (saturated) có hay nhiều liên kết đơi gọi axit béo khơng no hay khơng bão hòa (unsaturated) Bảng 1.5 Một số axit béo chiếm ưu phospholipid (Lược từ Lodish et al, 2008) Tên phổ biến axit (Dạng ion hóa ngoặc đơn) Viết tắt Cơng thức hóa học Các axit béo bão hòa: Palmitic (palmitate) C16:0 CH3(CH2)14COOH Stearic (stearate) C18:0 CH3(CH2)16COOH Các axit béo khơng bão hịa: Oleic (oleate) C18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH Linoleic (linoleate) C18:2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH 19 Tất phosphoglyceride phân tử lưỡng cực (amphipathic), có đuôi kỵ nước (thường hai chuỗi axit béo) đầu ưa nước (hydrophilic head; Hình 1.21a,b) Trong dung dịch nước, hiệu ưa nước kiểu tương tác van der Waals đưa lại tổ chức ổn định phospholipid vào ba cấu trúc sau: micelle, liposome màng hai lớp (Hình 1.21c) 4.2 Chức Lipid Lipid thành phần cấu tạo quan trọng màng sinh học (biomembrane; Hình 1.21), ngăn cách tế bào với môi trường chung quanh, khoang tế bào sinh vật nhân chuẩn, đồng thời nơi bám số protein Cũng glucose, axit béo nguồn lượng cho nhiều tế bào bảo quản dạng triacylglycerol (xem Hình dưới) mơ mỡ Ngồi ra, axit béo cịn chất tiền thân cho phospholipid nhiều lipid khác với loạt chức khác Hình 1.21 Cấu trúc phospholipid (a) Cấu trúc phosphat-idylcholine, phosphoglyceride điển hình, (b) Mơ hình cấu tạo glycerophospholipid (c) Tổ chức phospholipid cấu trúc micelle, liposome màng hai lớp dung dịch nước 20