Axit nucleic là nh8ng h7p ch0t cao phân t5, chúng tham gia vào các quá trình cơ bJn c.a s s ng như sinh t9ng h7p protein, sinh trư<ng, sinh sJn và di truy n, ... Axit nucleic ựư7c nhà bác h c đ!c F. Miescher tìm ra năm 1868 tN h-ch t& bào. đQu tiên chúng ựư7c g i là Nuclein (nucleus G h-ch), ự&n 1889 m3i ựư7c g i chắnh th!c là axit nucleic. Trư3c khi ựi sâu vào ch!c năng sinh h c c.a axit nucleic, chúng ta hãy nghiên c!u thành phQn và c0u trúc c.a chúng. đi u này r0t quan tr ngG vì các ch!c năng sinh h c c.a chúng trư3c h&t bgt ngu n tN thành phQn hóa h c và c0u trúc ựHc bi1t c.a chúng. 4.1.1. Thành phỌn hóa hpc c9a axit nucleic
Axit nucleic có ch!a C, O, H, N, P. đi m ựHc trưng c.a nó là hàm lư7ng phospho (8ọ10%) và hàm lư7ng nitơ (15ọ16%) r0t 9n ựOnh. Khi h.y phân hồn tồn axit nucleic thì ựư7c:
Ớ Các bazơ h8u cơ Purin (Adenin và Guanin) và Pirimidin (Cytozin, Uracil, Thymin),
Ớ Axit Phosphoric,
Ớ TW l1 gi8a bazơ nitơ : pentose : axit phosphoric là 1:1:1. Chúng ta lQn lư7t khJo sát c0u t-o c.a các thành phQn trên: 4.1.1.1. Công th!c c0u t-o c.a các bazơ nitơ
H Bazơ pirimidin: là ddn xu0t c.a pirimidin. Trong thành phQn c.a axit
nucleic ch!a ch. y&u là 3 bazơ pirimidin là: Cytozin, Uracil, Thymin G ngồi ra cịn có 5Gmetilcytozin và 5Ghydroxymetylcytozin v3i hàm lư7ng nhx và không phJi bao giC cũng có, vì th& chúng là nh8ng bazơ th! y&u.
H Bazơ purin: là ddn xu0t c.a purin. Trong thành phQn c.a axit nucleic
ch!a ch. y&u là 2 bazơ purin là: Adenin và Guanin G ngồi ra, ngưCi ta cịn tìm th0y các bazơ purin th! y&u là các ddn xu0t c.a adenin và guanin như: 1Gmetyladenin, 1G metylguanin, 7G metylguanin, ...
4.1.1.2. Công th!c c0u t-o c.a ựưCng ribose và desoxyribose
Trong thành phQn c.a axit nucleic có ch!a hai ựưCng pentose là DG ribose và DGdesoxyribose chúng ự u < dư3i d-ng βGDGfuranose. D a vào ựHc ựi m c.a c0u t5 ựưCng, ngưCi ta phân bi1t ra hai lo-i axit nucleic là:
Axit Desoxyribo Nucleic (ADN) G có ch!a ựưCng desoxyribose Axit Ribo Nucleic (ARN) G có ch!a ựưCng ribose
Khi nghiên c!u sJn phKm th.y phân c.a axit nucleic ựã ddn ự&n m%t k&t lu#n r0t quan tr ng là:
Thành phQn c.a axit nucleic tách ra tN các ngu n khác nhau là khác nhau.
Thành phQn các bazơ pirimidin trong ADN và ARN khác nhau, ADN ch!a Cytozin và Thymin, khơng bao giC có Uracil; ngư7c l-i, ARN ch!a Cytozin và Uracil khơng khi nào có Thymin. đ i v3i các bazơ th! y&u thì trong ARN nhi u hơn trong ADN.
4.1.2. Nucleotit
Trong axit nucleic, các h7p phQn c.a chúng liên k&t v3i nhau theo m%t qui lu#t nh0t ựOnh. đơn vO cơ bJn ự xây d ng nên phân t5 axit nucleic g i là
nucleotit. MMi nucleotit là m%t h7p ch0t ựư7c c0u thành tN ba thành phQn: 1
bazơ nitơ, m%t ựưCng ribose hoHc desoxyribose và axit phosphoric liên h7p v3i nhau. Khi g c axit phosphoric tách khxi nucleotit, sc t-o ra m%t h7p ch0t ựơn giJn hơn g i là nucleozit. Liên k&t gi8a ựưCng và bazơ nitơ là liên k&t
glucozit. Liên k&t này ựư7c hình thành gi8a N3 c.a bazơ pirimidin hay N9 c.a bazơ purin v3i C1 c.a ựưCng. Tên g i c.a nucleozit ựư7c c0u t-o như sau: Nucleozit có bazơ pirimidin thì mang tên g i c.a bazơ ựó v3i t#n cùng là
Hidin, vắ dV:
Cytozin k&t h7p v3i ribose thì nucleozit g i là Cytidin,
Cytozin k&t h7p v3i desoxyribose thì nucleozit sc ựư7c g i là Desoxycytidin, tương t có Uridin, Thymidin, Desoxythymidin, ...
Nucleotit có bazơ purin thì cũng mang tên g i c.a bazơ ựó nhưng t#n cùng bPng Hozin, vắ dV: Adenozin, Desoxyadenozin, Guanozin hay Desoxyguanozin.
Khi các nucleozit k&t h7p thêm axit phosphoric sc t-o thành nucleotit. Axit phosphoric có th k&t h7p v3i nhóm −OH c.a nguyên t5 cacbon th! 3 hay th! 5 c.a pentose. Vắ dV < Adenozin khi g c axit phosphoric ựắnh vào nguyên t5 cácbon th! 3 c.a ribose thì sc t-o ra AdenozinG3Gphosphat, cịn khi ựắnh vào carbon th! 5 c.a ribose sc t-o thành AdenozinG5Gphosphat. Như v#y tN m%t nucleozit có th t-o thành 2 lo-i nucleotit.
Nucleotit có vai trị vơ cùng l3n ự i v3i s trao ự9i ch0t c.a t& bào s ng, vì:
Chúng là nh8ng viên g-ch ự xây d ng nên phân t5 axit nucleic, Chúng tham gia vào thành phQn c.a m%t s enzyme quan tr ng,
M%t s nucleotit là các ch0t tắch lũy năng lư7ng cQn thi&t ự th c hi1n các quá trình ho-t ự%ng s ng. PhQn ti&p sau ựây chúng ta sc xét m%t s các ch0t ựơn giJn ch!a nucleotit có ý nghĩa quan tr ng trong cơ th s ng.
4.1.3. Các chKt ựơn giIn chỂa nucleotit
4.1.3.1. Nicotinamid Adenin Dinucleotit (NAD)
C0u trúc c.a NAD: NAD thành phQn c.a các enzyme ho-t hóa hydro (dehydrogenase piridin). NAD là coenzyme c.a các enzyme dehydrogenase piridin. Nhóm enzyme dehydrogenase xúc tác phJn !ng oxyhóa kh5, các enzyme này tách proton hay electron tN các cơ ch0t (ch0t cho hay ch0t kh5) và chuy n chúng cho các ch0t nh#n (ch0t oxyhóa), ngo-i trN oxy. NAD nh#n proton tr< thành NADH2 .
4.1.3.2. Nicotinamid Adenin Dinucleotit Phosphat (NADP)
Coenzyme c.a các dehydrogenase piridin là Nicotinamit Adenin Dinucleotit (NAD) hoHc Nicotinamit Adenin Dinucleotit Phosphat (NADP).
NAD K cịn có tên g=i tương ng là coenzyme I hay codehydrogenase I, NADPK cịn có tên g=i tương ng là coenzyme II hay codehydrogenase II. Khi coenzyme nh#n proton hay electron tN cơ ch0t ựQu tiên thưCng g i là coenzyme I còn khi coenzyme nh#n proton hay electron tN cơ ch0t th! hai (là ch0t nh#n proton hay electron tN cơ ch0t ựQu) thì thưCng g i là coenzyme II.
C0u t-o c.a NADP cũng gi ng như NAD, chW khác là trong thành phQn c.a nó có 3 g c axit phosphoric.
4.1.3.3. Flavin Adenin Dinucleotit (FAD)
Là thành phQn c.a các enzyme ho-t hóa hydro (Dehydrogenase Flavin) D-ng oxyhóa c.a flavin có màu vàng khi nó nh#n ựi1n t5 và proton tN NADH2 hay NADPH2 sc chuy n thành d-ng kh5 không màu. Trong nhóm này, ngồi Flavin Adenin Dinucleotit (FAD) cịn có Flavin Mono Nucleotit (FMN).
4.1.3.4. Adenozin Tri Phosphat (ATP) cũng là m%t nucleotit
G Trong phân t5 ATP có ch!a hai liên k&t cao năng, trong cơ th s ng nó là ch0t d tr5 năng lư7ng quan tr ng.
G Nh8ng q trình hóa sinh xJy ra trong cơ th có giJi phóng năng lư7ng thưCng liên k&t v3i s t9ng h7p ATP, ngư7c l-i nh8ng q trình hóa sinh xJy ra cQn có năng lư7ng t do thì thưCng liên k&t v3i s th.y phân ATP. Như v#y năng lư7ng dư ựư7c d tr8 trong ATP và khi cơ th cQn năng lư7ng thì s th.y phân ATP sc giJi phóng ra. Phân t5 ATP có th bO th.y phân m%t hoHc hai liên k&t cao năng. Khi m%t liên k&t cao năng bO m0t ựi, ATP sc tr< thành ADP (Adenozin Di Phosphat) và khi bO m0t ự ng thCi hai liên k&t cao năng thì nó tr< thành AMP (Adenozin Mono Phosphat).
Mii nii
Mii nii Mii nii
Mii nii
Hình 4!1: Liên kZt hydro gika các bazơ nitơ c9a 2 mWch
2,56 Ă 28,2 Ă
34 Ă 3,4 Ă
DWng A DWng B
Hình 4!2: CKu trúc ADN
Axit nucleic là m%t h7p ch0t cao phân t5 mà "viên g-ch" xây d ng nên nó là các mononucleotit. Phân t5 lư7ng c.a ADN ự-t tN 4 tri1u ự&n hàng chVc tri1u và hơn th& n8a. Phân t5 lư7ng c.a ADN l3n hơn ARN. C0u t-o c.a axit nucleic r0t ph!c t-p. M!c ự% ph!c t-p này phV thu%c vào lư7ng và ch0t c.a các nucleotit tham gia trong thành phQn c.a nó. NgưCi ta phân bi1t hai b#c c0u trúc c.a ADN:
C.u trúc bFc I: C0u trúc b#c I xác ựOnh s lư7ng các g c mononucleotit và trình t sgp x&p c.a chúng trong phân t5 ADN. Các g c mononucleotit liên k&t v3i nhau bPng liên k t phosphodiester n i g c axit phosphoric gi8a
nguyên t5 carbon th! 5 c.a g c ựưCng pentose < mononucleotit này v3i carbon th! 3 c.a g c ựưCng pentose < mononucleotit kia.
C.u trúc bFc II (mơ hình Watson): Nh8ng nghiên c!u m3i nh0t ựã ch!ng minh rPng: chuMi polynucleotit không nPm duMi thUng mà có c0u trúc khơng gian hình xogn g i là c0u trúc b#c II. D a trên k&t quJ nghiên c!u,Watson và Crick ựã thi&t l#p mdu hình c0u t-o xogn c.a phân t5 ADN như sau: Phân t5 ADN ựư7c hình thành tN hai chuMi polynucleotit v3i c c trái ngư7c nhau, cu%n xogn l0y nhau xung quanh m%t trVc chung t-o nên m%t vịng xogn ựơi tương t như m%t cQu thang xogn c. MMi vòng xogn g m 10 b#c (tương !ng v3i 10 cHp nucleotit). Chi u cao mMi vòng xogn là 34Ă, như v#y chi u cao c.a mMi b#c là 3,4Ă, ựưCng kắnh trong c.a vịng xogn là 20Ă. Trong c0u trúc xogn này thì g c ựưCng và g c phosphat nPm < phắa ngồi cịn các bazơ nitơ nPm < phắa trong. Các bazơ purin và pirimidin nPm trong vòng xogn theo tNng cHp xác ựOnh h&t s!c nghiêm ngHt. Bazơ purin trên chuMi này thì bazơ pirimidin < trên chuMi ự i di1n hoHc ngư7c l-i. Trong ựó Thymine (T) ự!ng ự i di1n v3i Adenine (A); Cytozine (C) ự!ng ự i di1n v3i Guanine (G).
C0u trúc không gian này ựư7c gi8 v8ng nhC các liên k&t hydro gi8a các bazơ nitơ. NgưCi ta ựã xác ựOnh ựư7c rPng gi8a hai bazơ nitơ ự!ng ự i di1n A....T t n t-i hai liên k&t hydro còn gi8a G....C t n t-i ba liên k&t hydro. Các nucleotit trong chuMi có m%t vO trắ nh0t ựOnh và tr#t t sgp x&p các g c nucleotit c.a chuMi này phJn ánh chắnh xác tr#t t sgp x&p các g c nucleotit c.a chuMi kia. đHc ựi m c0u t-o này c.a ADN có ý nghĩa quy&t ựOnh trong vi1c thông tin tắnh di truy n và sinh t9ng h7p protein.
Mơ hình c0u t-o ADN c.a Watson và Crick ựã ựư7c khUng ựOnh. Ngày nay ngưCi ta còn phát hi1n thêm nh8ng d-ng t n t-i c.a c0u t-o xogn. Có 5 d-ng c0u t-o xogn tương t c.a ADN ựư7c xác ựOnh. D-ng c0u t-o mà Watson và Crick xác ựOnh ựư7c ựó là d-ng t n t-i B còn d-ng A ựư7c xác ựOnh v3i chi u cao c.a mMi vòng xogn là 28Ă (< d-ng B là 34Ă), mMi vòng xogn g m 11 b#c (tương !ng v3i 11 nucleotit < mMi vòng xogn, như v#y khoJng cách gi8a mMi b#c là 2,56Ă, như v#y chi u dài c.a phân t5 sc rút nggn khoJng 25%. đi m khác nhau cơ bJn gi8a d-ng A và B là < chM: s sgp x&p gi8a các cHp bazơ nitơ ự!ng ự i di1n nhau khơng vng góc v3i ựưCng trVc c.a vịng xogn. D-ng C r0t gi ng d-ng B chW khác < chM là chi u cao c.a m%t vòng xogn là 33Ă và v3i 9 b#c (tương !ng v3i 9 nucleotit < mMi vịng xogn). Ngồi ra cịn d-ng D và Z. D-ng D v3i 8 b#c tương !ng v3i 8 nucleotit < mMi vịng xogn, cịn d-ng Z có b% khung xogn trái, mMi vòng xogn mang 12 cHp bazơ, các bazơ ựư7c b trắ < ngoài c.a trVc chuMi xogn.
C0u trúc xogn ựôi c.a ADN là c0u trúc chung cho các gi3i h8u sinh. Trong m i trưCng h7p không phV thu%c ngu n g c, tr-ng thái sinh lý c.a cơ th t& bào, ADN có c0u trúc vịng xogn ựơi như nhau. Tuy nhiên, ngồi các phân t5 ADN hai chuMi cịn có th gHp ADN m%t chuMi chUng h-n như < virus, vi khuKn.
4.1.5. ADN và nhiom sỈc thc
Nhi{m sgc th (chromosome) là thành phQn ch. y&u c.a nhân t& bào. Thu#t ng8 "chromosome" ựã ựư7c g i tN 1884. S phân tắch chi ti&t qua kắnh hi n vi ựã ch!ng minh rPng nhi{m sgc th là nh8ng s7i dài, có chi u dài không ự u nhau. đHc ựi m này ựư7c phát hi1n rõ nh0t khi nghiên c!u s phân chia gián phân c.a t& bào < giai ựo-n ựQu. ADN c.a t& bào phân b trên các nhi{m sgc th .
MMi nhi{m sgc th ựư7c c0u t-o g m nhi u s7i g i là sGi nhiem sfc,
d c theo các s7i này sgp x&p các ự t nhi{m sgc th (chromomere).
Trong mMi nhi{m sgc th < vO trắ xác ựOnh có m%t b% ph#n nhx, tròn, bi u hi1n rõ nét trong thCi kỳ phân bào và ựi u khi n s v#n ự%ng c.a nhi{m sgc th trong quá trình phân bào g i là tâm ự ng (centromere). C0u trúc như th& c.a các nhi{m sgc th chW có th quan sát th0y ựư7c trong thCi gian phân bào cịn bình thưCng chúng có d-ng s7i mJnh, ự#m màu g i là ch0t nhi{m sgc (chromatin). Các cơng trình nghiên c!u cho th0y rPng các nhi{m sgc th cũng t n t-i riêng li, tách bi1t nhau v mHt sinh lý và c0u trúc cJ trong khoJng thCi gian gi8a hai lQn phân bào k& ti&p, mHc dù trong thCi gian ựó ngưCi ta khơng nhìn th0y ựư7c chúng. Gen là nhân t di truy n nPm trong nhi{m sgc th .
MMi nhi{m sgc th có hình d-ng và n%i dung di truy n riêng c.a cá th . Khi tách nhân ra khxi t& bào vào thCi ựi m không phân chia và cho nhân dung giJi thì các nhi{m sgc th ựư7c giJi phóng ra, mMi cái ch!a m%t ADN s7i kép nguyên vỘn, ADN này liên k&t v3i protein < d-ng m%t ph!c g i là ch0t nhi{m sgc th (chromatin), trong ch0t này có các protein bazơ (các histon) và protein axit (khơng có histon) liên k&t v3i ADN và ựó là tắnh ựHc trưng c.a các nhi{m sgc th nhân chuKn. Th nhi{m sgc có chi u dài bi&n ự9i qua các pha khác nhau c.a chu kỳ t& bào, nhưng vdn duy trì ựư7c tắnh ựHc thù toàn vỘn, ựư7c ựHc trưng bZi thông tin di truy n c.a chúng. Trong s s ng c.a t& bào s tái sinh c.a nhi{m sgc th có vai trị quan tr ng nh0t. Thơng tin di truy n c.a hai t& bào con, hình thành do s phân chia c.a m%t t& bào mỘ, phJi mang tắnh ch0t hồn chWnh. đi u 0y chW có th ự-t ựư7c n&u m i c0u trúc phân t5 c.a th nhi{m sgc ban ựQu ựư7c tái t-o l-i trong t& bào con. đi u này ựư7c th c hi1n bPng s tái sinh c.a các nhi{m sgc th . S t tái sinh c.a th
nhi{m sgc ựư7c ti&n hành trong giai ựo-n gi8a c.a chu kỳ trung gian g i là pha t9ng h7p ADN.
S lư7ng nhi{m sgc th trong t& bào c.a mMi lồi là khơng thay ự9i. Ằ ngưCi, s lư7ng ựó là 46. Trong t& bào c.a nhi u loài ự%ng v#t và th c v#t khác cũng có th có s nhi{m sgc th là 46, như v#y các loài ự%ng v#t, th c v#t khác nhau, phân bi1t nhau không phJi chW < s lư7ng nhi{m sgc th mà ch. y&u là bJn ch0t các nhân t di truy n ch!a trong các nhi{m sgc th .
T& bào có m%t b% nhi{m sgc th (n NST) ựư7c g i là t& bào ựơn b%i. T& bào có 2 b% nhi{m sgc th (2n NST) g i là t& bào lưZng b%i.
Trong t& bào lưZng b%i nhi{m sgc th bao giC cũng t n t-i theo tNng cHp. Trong mMi t& bào có hai nhi{m sgc th c.a mMi ki u lo-i. Vắ dV: 46 nhi{m sgc th c.a ngưCi thu%c vào 23 ki u lo-i, mMi ki u lo-i có hai nhi{m sgc th . BJn ch0t c.a tắnh cHp ựôi là m%t th nhi{m sgc cùng ngu n trong cHp là tN mỘ còn th nhi{m sgc kia tN b .
Khi nhi{m sgc th trong giai ựo-n phát tri n c.a t& bào, khi nhu%m màu và ựem quan sát dư3i kắnh hi n vi, ngưCi ta quan sát th0y hai ki u bgt màu khác bi1t, m%t ki u ựư7c nhu%m r0t nh-t g i là ch0t nguyên nhi{m sgc, ki u kia ựư7c nhu%m r0t ự#m ựư7c g i là ch0t dO nhi{m sgc. Ằ nh8ng sinh v#t khác nhau thì ch0t dO nhi{m sgc phân b khác nhau, có trưCng h7p tNng phQn hoHc toàn b% nhi{m sgc th là ch0t dO nhi{m sgc. Nói chung nPm rJi rác < d-ng nh8ng ựo-n nggn xen kc v3i ch0t nguyên nhi{m sgc và b c quanh các tâm ự%ng. V mHc ch!c năng ch0t nguyên nhi{m sgc ch!a ADN < tr-ng thái ho-t ự%ng (có th ựư7c phiên mã) còn ch0t dO nhi{m sgc thì mang ADN < d-ng không phiên mã. Ch0t dO nhi{m sgc sao chép mu%n hơn ch0t nguyên nhi{m sgc trong chu trình t& bào.
Nhi{m sgc th c.a t& bào prokaryote: Nhi{m sgc th c.a vi khuKn là nh8ng phân t5 ADN trQn, chuMi kép, m-ch vịng. MHc dù vi khuKn khơng có nhân nhưng ADN t#p trung < m%t vùng rõ r1t g i là vùng nhân, không có