Các nucleic acid (DNA, RNA) là những polymer sinh học, có trọng lượng phân tử lớn, gồm nhiều đơn phân (monomer) là các nucleotide nối với nhau tạo thành các chuỗi hay mạch polynucleotide - cấu trúc sơ cấp của các phân tử nucleic acid.
1. Cấu trúc của các nucleotide
liên kết glycosid
Hình 5.3 Bốn loại base của DNA và cấu trúc một nucleotide (dAMP).
Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: một nhóm phosphate, một gốc
đường pentose và một trong bốn loại base nitơ (các dẫn xuất của purine
hoặc pyrimidine). Về cấu trúc, nhóm phosphate nối với gốc đường tại nguyên tử carbon số 5 (C5') bằng một liên kết ester và base nitơ nối với gốc đường tại nguyên tử carbon số 1 (C1') bằng một liên kết β-glycosid
(Hình 5.3). Lưu ý: (1) Các base là thành phần đặc trưng qui định tên gọi các nucleotide mang chúng. Trong DNA chứa bốn loại base cơ bản:
adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C); trong RNA cũng chứa bốn loại nhưng chỉ khác là thymine được thay bởi uracil (U).
(2) Đường pentose của RNA là D-ribose và của DNA là 2-deoxy-D- ribose (ký hiệu D-: chỉ dạng đường quay phải để phân biệt với dạng L- quay trái không có trong thành phần của các nucleic acid tự nhiên). Hai gốc đường này khác nhau ở C2'; trong ribose là nhóm -OH và trong deoxyribose là -H. Sự có mặt của thành phần đường trong các nucleotide phân biệt hai loại ribonucleotide và deoxyribonucleotide cấu tạo nên hai loại nucleic acid tương ứng là RNA và DNA.
(3) Cấu trúc "base + đường" gọi là nucleoside; cách đọc và viết tắt tương ứng với các base A, T, G và C trong DNA như sau: deoxyadenosine (dA), deoxythymidine (dT), deoxyguanosine (dG) và deoxycytidine (dC); cách gọi cho các nucleoside trong RNA chỉ cần bỏ tiền ngữ "deoxy" (d), và thay cho dT là uridine (U). Và nếu đọc đầy đủ tên gọi của một nucleotide chỉ cần thêm cái "đuôi" 5'-monophosphate, ví dụở hình 5.3. (4) Tính phân cực trong cấu trúc một nucleotide còn thể hiện ở các nhóm hydroxyl (-OH) ở hai vị trí C5' (hình thành liên kết ester với nhóm phosphate để tạo ra nucleotide) và C3' (hình thành liên kết phosphodiester với nucleotide khác để tạo chuỗi polynucleotide).
2. Cấu trúc chuỗi polynucleotide
Liên kết 3',5'-phosphodiester và
chiều 5'→3' của chuỗi polynucleotide Đầu 3' Đầu 5'
Các nucleotide trong DNA hoặc RNA nối với nhau bằng các mối liên kết 3',5'-phosphodiester giữa gốc đường của nucleotide này với nhóm phosphate của nucleotide kế tiếp, tạo thành chuỗi polynucleotide (nhờ sự
xúc tác của các enzyme tương ứng là DNA- hoặc RNA-polymerase). Vì vậy các chuỗi này bao giờ cũng được kéo dài theo chiều 5'→3' (đầu 5' mang nhóm phosphate tự do và đầu 3' chứa nhóm -OH tự do) và có bộ
khung gồm các gốc đường và phosphate luân phiên nhau, còn các base nhờ vậy có trình tựđược đọc theo một chiều xác định (hình 5.4).
Thông thường người ta biểu diễn trình tự base 5'→3' theo chiều từ trái sang phải. Ví dụ dưới đây cho thấy các chuỗi RNA và DNA chỉ khác nhau bởi base U và T và gốc đường trong các nucleotide của chúng.
chuỗi RNA 5'- AUAGACUACG-3'
chuỗi DNA 5'- dAdTdAdGdAdCdTdAdCdG-3'
3. Thành phần hóa học và cấu trúc của chuỗi xoắn kép DNA
3.1. Thành phần hóa học của DNA
Năm 1949, E.Chargaff áp dụng phương pháp sắc ký giấy vào phân tích thành phần hóa học của DNA các loài khác nhau (Bảng 5.1; có thể xem trong Watson et al 1987, tr.73) đã khám phá ra ba điểm quan trọng sau
đây: (1) Số lượng bốn loại base trong DNA là không bằng nhau; (2) Tỷ lệ
tương đối của các base là không ngẫu nhiên; và trong tất cả các mẫu DNA nghiên cứu tồn tại mối tương quan về hàm lượng (%) giữa các base như
sau: A T và G≈ ≈C, nghĩa là tỷ số (A+G)/ T+C)≈1; và (3) Mỗi loài có một tỷ lệ (A+T)/(G+C) đặc thù.
Bảng 5.1 Thành phần base của DNA ở một số loài (từ nhiều tác giả)
Sinh vật A% T% G% C% T C G A + + C G T A + + 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