Chương 1 CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC VÀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC
1.2. Liên kết hoá học trong hệ thống sinh học
1.2.3. Vai trò của liên kết hóa học yếu cơ bản
Liên kết hóa học yếu đóng vai trò rất quan trong và thể hiện rất đa dạng trong cơ thể sống, đó là sự tương tác giữa enzyme với cơ chất, nhờ liên kết này đã hình thành lên cấu hình không gian của các đại phân tử có tác dụng điều hòa các hoạt động sống.
1.2.3.1. Trong tương tác enzyme - cơ chất
Khi xúc tác, các enzyme gắn một cách chọn lọc và tạo ái lực đặc biệt với cơ chất.
Năng lượng liên kết của tương tác này thường từ 5-10 Kcal/mol. Là liên kết hóa học yếu nên được hình thành và bị phá rất nhanh dưới tác động của nhiệt. Điều này giải thích tại sao enzyme có khả năng hoạt động với vận tốc đôi khi đạt đến 106 lần trong 1 giây. Nếu lực liên kết này lớn thì không thể có tốc độ cao đến như vậy, tuy nhiên tốc độ này còn phụ thuộc vào từng loại enzyme và cơ chất.
1.2.3.2. Trong cấu hình không gian của các phân tử
Cấu hình của các đại phân tử được hình thành đều nhờ liên kết hóa học yếu chứ không phải liên kết cộng hóa trị.
- Liên kết kị nước làm ổn định phân tử protein nhưng quyết định tạo ra cấu hình đặc trưng lại là do các liên kết hydro. Vì liên kết hydro đòi hỏi một khoảng cách xác định và sự sắp xếp có định hướng các nguyên tử cho và nhận trong không gian. Khi các nguyên tử này nằm trên khung mạch thẳng polypeptide đã tạo lên cấu trúc bậc 2 đều đặn, chuỗi xoắn α hay dạng nếp mỏng β. Các cấu trúc đối xứng đều đặn như vậy có tính ổn định rất cao.
- Phân tử protein thường gồm cả 2 loại cấu trúc trên, bên cạnh đó còn cónhững vùng chứa cấu trúc không đều cần cho sự cuộn gấp của chuỗi polypeptide.
* Phân tử DNA thường có dạng xoắn kép do: Hai mạch đơn bắt cặp với nhau nhờ liên kết hydro bổ sung 1 purine (A&G) có cùng kích thước và bên kia C và T cũng có cùng kích thước. Điều này đảm bảo được khoảng cách đều đặn giữa 2 mạch đơn tạo thành tổng kích thước 1 purin = 1 pyrimidine. Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và pyrimidine có cấu trúc phẳng, xếp chồng khít lên nhau ở bên trong phân tử DNA đã hạn chế sự tiếp xúc của chúng với nước. Các nguyên tử đường và các gốc phosphate xoay ra ngoài, liên kết với nướcđảm bảo tính ổn định cho phân tử.
* Chuỗi xoắn kép DNA là một cấu trúc rất ổn định do: Nếu 2 mạch đơn tách nhau, các base nitơ kị nước phải tiếp xúc với nước sẽ bất lợi và không ổn định.
22 Mỗi phân tử DNA có một số lượng lớn nhất định các liên kết hydro cho nên dù bị chuyển động nhiệt làm phá vànhững liên kết hydro ở 2 đầu phân tử, nhưng ở giữa phân tử nếu vẫn còn liên kết hydro thì sẽ gắn 2 sợi đơn lại chỉ khi bị nhiệt độ quá cao gần điểm sôi mới tách chúng ra được.
1.2.3.3. Các liên kết yếu đảm bảo mối liên lạc giữa Protein và DNA
Các protein histon đóng vai trò tạo ra cấu trúc nén chặt DNA trong nhân nhờ các liên kết ion. Liên kết ion này được hình thành giữa các nhánh bên mang điện tích dương của histone với các nhóm photphas mang điện tích âm của DNA. DNA được quấn quanh lõi những protein histone. Các protein histon đóng vai trò tạo ra cấu trúc nén chặt DNA trong nhân nhờ các liên kết ion. Nhiễm sắc thể lớn nhất của người được phát hiện chứa một phân tử DNA khổng lồ dài tới 85.000μm hoặc 8,5.108 Acron. Vậy làm thế nào để sợi DNA của nó nằm gọn vào một nhiễm sắc thể ở trung kỳ chỉ có đường kính 0,5μm và dài 10μm. Muốn vậy sợi DNA phải co xoắn lại 104 lần. Như vậy phải có quá trình co xoắn xảy ra, vấn đề đặt ra là thành phần nào của nhiễm sắc thể có liên quan đến quá trình co xoắn này và liệu các phân tử DNA của từng nhiễm sắc thể khi co xoắn trong từng nhiễm sắc thể xảy ra có theo cách khác nhau hay theo chung một cách? Trong genome có nhiều mức độ co xoắn khác nhau hay không. Rõ ràng là ở cả phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm thì nhiễm sắc thể đều co xoắn mạnh hơn ở gian kỳ (interphase).
Khi quan sát nhiễm sắc thể phân lập bằng kính hiển vi điện tử thấy nó bao gồm một chuỗi các hạt hình cầu, hình ellipse có đường kính 1100 và cao 600 (hình1.10).
Hình 1.13. Ảnh kính hiển vi điện tử nhiễm sắc thể co xoắn tạo cấu trúc nucleosome tế bào chuột
Khi nghiên cứu dùng enzyme phân rã DNA trong nhiễm sắc thể thì thu được các đoạn DNA dài khoảng 146 cặp nucleotide luôn được bảo vệ.
Trong một thí nghiệm khác khi dùng enzyme (nuclease) phân rã từng phần nhiễm sắc thể người ta đã thu được 1 bộ những đoạn DNA có kích thước tách biệt nhau, điều này chứng tỏ nhiễm sắc thể có cấu trúc lặp lại, đồng thời cũng chứng tỏ các chuỗi hạt trên chính là một dạng tổ chức cho phép phân tử DNA cư trú để tránh bị phân giải. Các hạt (bead) này được gọi là các nucleosome. Nối giữa các hạt là một đoạn DNA, thường có chiều dài khoảng từ 8 - 114 cặp base, tuỳ loài sinh vật và tuỳ loại tế bào được gọi là đoạn DNA linker.
* Mỗi hạt chứa 146 cặp nucleotide quay xung quanh 1 + 3/4 vòng của 8 histon (gồm 2 phân tử của 4 histon) mỗi thứ là H2a, H2B, H3 và H4.
23 - Một tiểu cấu tử nhiễm sắc thể hoàn chỉnh (complete chromatin subunit) gồm một hạt, 1 DNA linker và thường có thêm trung bình 1 phân tử protein H1), kết hợp với những protein nhiễm sắc thể không thuộc vào gia đình histon.
- Nucleosome còn chứa (phân tử H1) có vai trò cuộn xoắn hạt nucleosome để hình thành nên sợi Chromatin (kích thước 300Ao (hình 1.14).
Hình 1 . 14. Cấu trúc chromatin
Hình1.15. Sản phẩm điện di của nhiễm sắc thể
Hiện nay người ta đã phát hiện được cấu trúc nucleosome ở những vùng hoạt động của nhiễm sắc thể, nhìn chung khác so với những vùng không hoạt động. Nhưng chi tiết của mối quan hệ này cần phải được làm sáng tỏ. Dù quấn quanh lõi histon nhưng sợi DNA bên ngoài bề mặt vẫn tiếp xúc với protein khác, đó là các enzyme tham gia vào quá trình sao chép như DNA polymerase, quá trình phiên mã như RNA polymerase hay các protein điều hòa hoạt động các gen. Các protein này nhận biết một trình tự xác định trên sợi DNA rồi gắn vào đó ở vị trí có các nhóm basebase đặc trưng nhờ liên kết ion. Cơ chế nhận biết này chủ yếu là do kết quả của sự bổ sung hình dạng giữa protein và DNA. Do năng lượng liên kết yếu giữa các đại phân tử không đủ lớn để tạo ra mạng lưới cứng nhắc bên trong tế bào nên tế bào sống thường không bao giờ đặc lại được. Cũng chính nhờ lực liên kết yếu đó nên hiện tượng khuếch tán trong tế bào thường tăng mạnh, tất nhiên còn phụ thuộc vào tình trạng sinh lý của tế bào. Nhờ khuếch tán mạnh mà các phân tử khác nhau có cơ hội tiếp xúc được với nhau tạo để thực hiện nhiều phản ứng sinh học thiết yếu cho sự sống.
Tóm lại nhờ có một số lớn các liên kết yếu đã giúp các phân tử trong tế bào vừa liên lạc được với nhau vừa có tính linh động, mềm dẻo đây là đặc trưng cơ bản của sự sống.
Việc hình thành lên cấu trúc sinh học phụ thuộc không những vào bản thân phân tử mà
24 còn phụ thuộc vào các phân tử khác trong môi trường xung quanh. Cấu trúc khác nhau sẽ dẫn đến chức năng khác nhau.
Câu hỏi ôn tập
Câu 1: DNA là gì? Trình bày cấu trúc bậc 1 của DNA.
Câu 2: Trình bày cấu trúc của DNA theo Watsơn và Crick.
Câu 3: Trình bày đặc điểm và các dạng cấu trúc cảu DNA? DNA có chức năng gì?
Câu 4: Trình bày cấu trúc và chức năng của các loại RNA.
Câu 5: So sánh cấu trúc và chức năng của DNA và RNA?
Câu 6: Trình bày cấu trúc 4 bậc của protein. Protein thực hiện chức năng ở cấu trúc bậc mấy?
Câu 7: Trình bày cấu trúc và chức năng của lipit trong co thể Câu 8: Trình bày đặc điểm các liên kết hóa yếu
Câu 9: Phân tích vai trò của liên kết hóa học yếu trong tế bào.
Câu 10: Phân biệt DNA, RNA và protein.
25