Chương 6 NUCLEIC ACID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ CỦA NUCLEIC ACID
6.3 Sinh tổng hợp DNA: DNA có khả năng tự tổng hợp (tự nhân đôi)
- Có mặt đủ 4 loại desoxyribonucleotide dưới dạng triphosphate
(Nguyên liệu cho quá trinh tổng hợp DNA là những desoxynucleotidtriphosphate) Desoxyadenosintriphosphate = d′ATP
Desoxyguanintriphosphate = d′GTP Desoxythymidintriphosphate = d′TTP Desoxycytosintriphosphate = d′CTP
Chúng là những chất tương tự ATP, GTP, TTP và CTP và chứa desoxyribose thay cho ribose.
: - Có các enzyme DNA-polymerase xúc tác
Những enzyme quan trọng nhất là DNA- polymerase, DNA-ligase và một helicase.
Khuôn là hai sợi của mạch xoắn kép. Sự tổng hợp bắt đầu bằng việc thuỷ phân liên kết hydro của mạch kép nhờ một enzyme nuclease, tách liên kết ester giữa ribose và gốc phosphate của hai sợi, như vậy từ vị trí này mạch kép có thể được duỗi xoắn. Về mặt năng lượng đây không phải là quá trình đơn giản vì như trên đã đề cập hai sợi được nối với nhau bằng các cầu hydro. Trong ống nghiệm người ta cắt liên kết này khi đưa nhiệt độ lên 90 0C. Để duỗi xoắn cần một phức hệ enzyme đặc biệt là helicase, là một phức hệ định vị ở chỗ chẻ ba của mạch kép và làm duỗi xoắn DNA, trước khi cả hai sợi duỗi xoắn làm khuôn cho sự tổng những sợi DNA mới. Ở những sinh vật khác nhau người ta thấy helicase có những đặc tính khác nhau: E.coli, nấm men, động vật và thực vật bậc cao. Về nguyên tắc cơ chế tác động của nó như sau: sợi kép được duỗi xoắn và helicase đẩy chỗ chẻ ba tiếp tục dịch chuyển. Quá trình mở xoắn thực chất vẫn chưa được giải thích cặn kẻ. Những liên kết hydro giữa các base nitơ phải được cắt đứt. Rất có thể một sợi DNA được cắt ra bằng thuỷ phân làm cho xoắn được mở ra, sau đó được nối lại với nhau. Toàn bộ quá trình cần năng lượng. Tuỳ theo loại helicase mà năng lượng cần là ATP hoặc các nucleosidtriphosphate khác, và các desoxynucleosidtriphosphate cũng được sử dụng để đẩy chỗ chẻ ba dịch chuyển. Nhờ có các nucleosidtriphosphate mà cấu hình của protein enzyme thay đổi do qúa trình phophoryl hoá enzyme, quá trình này tương tự như co thắt cơ.
Hình 6.8 Sơ đồ biểu diễn sự sao chép. Sự mở xoắn kép nhờ helicase và sự tổng hợp DNA ở hai sợi khuôn nhờ DNA-polymerase
Như ở sơ đồ 6.8 một phần mạch mở xoắn có một đầu là gốc phosphate và một đầu là một nhóm OH. Những đoạn tách ra này là khuôn cho việc tạo nên một sợi bổ sung.
Sợi mới này chạy theo hướng ngược lại với sợi khuôn. Người ta phân biệt giữa chúng 1 sợi “leading strand” là “sợi trước” và 1 sợi “lagging strand” là “sợi sau”. “Sợi sau”
được cắt ra bằng thuỷ phân và sau đó được nối kết lại và tạo thành đường cong lớn được thực hiện nhờ phức hệ helicase bao gồm nhiều phân tử protein theo hình 6.9.
Đường cong này có tác dụng làm cho sợi DNA mới tạo thành từ khuôn là “sợi sau”
kéo dài ra hướng theo chẻ ba, tuy nhiên hướng kéo dài vẫn đảm bảo từ 5′→ 3′. Vì vậy khái niệm lagging có nghĩa là những base nitơ bổ sung cho sợi “lagging strand” được đọc chậm hơn. Để duỗi mạch xoắn kép thì một đoạn của sợi “lagging strand” được cắt ra, mở xoắn và các đoạn được gọi là “Okazaki” được tổng hợp. Trước khi những đoạn này nối lại với nhau nhờ enzyme ligase chúng phải được hoạt hoá nghĩa là chúng được kết hợp với “primer”. Primer này là một RNA. Enzyme xúc tác cho phản ứng này là primase.
Phản ứng của primase xảy ra sau khi duỗi xoắn, tiếp theo là phản ứng polymerase, nghĩa là lắp ráp các nucleotide vào sợi mới và cuối cùng là phản ứng ligase. Chỗ chẻ ba chuyển dịch về phía trước theo hướng 5′→ 3′ của sợi “lagging strand”. Vận tốc duỗi xoắn là 700 cặp bazơ trong 1 giây ở nhiệt độ 30 0C.
Polymerase tạo liên kết ester giữa OH ở vị trí carbon thứ 3 của sợi mới với phosphate của d′nucleosidtriphosphate mới đi vào. Ở đây pyrophosphate được tách ra và nhanh chóng được thuỷ phân để tạo photphate vô cơ.
Hình 6.9 Sợi trước và sợi sau ở phức hệ helicase-primase-polymerase
Năng lượng cần để tạo liên kết ester chứa trong hai liên kết cao năng ở trong d′nucléotidtriphosphate. Sự kết hợp vào khuôn theo nguyên tắc bổ sung tiến hành theo cách H của nhóm OH ở vị trí carbon thứ 3 của ribose được thay thế bằng 1 d′nucleotide, chính xác hơn nhóm OH được thay thế bởi acyl của 1 d′nucleotide (nucleosidphophoryl) (xem hình 6.10). Chuỗi cũng kéo dài ở vị trí 3 theo hướng C-5→
C-3 hoặc từ đầu cuối phosphate đến OH của vị trí carbon thứ 3.
Sự kết hợp vào khuôn theo nguyên tắc bổ sung, nghĩa là thymine sẽ kết hợp với adenine, guanine kết hợp với cytosine. Bằng cách này một bản sao trung thành của sợi khuôn được tổng hợp. Nếu trong quá trình kết hợp mà xuất hiện một lỗi, ví dụ hai base nitơ đối diện nhau không bổ sung tạo nên không gian mà 1 d′nucleotide mới vào không kết hợp được với nhóm OH của ribose. Polymerase có khả năng sửa chữa những lỗi này, thực chất là cắt nucleotide lắp sai đó ra và kết hợp nucleotide chính xác vào. Cơ chế sửa chữa quan trọng này đã làm cho tỷ lệ lỗi ở quá trình nhân đôi là rất thấp, thực ra khoảng 109 cặp base thì mới có một lỗi. Những lỗi trong quá trình này là những đột biến dẫn đến những rối loạn rất lớn trong trao đổi chất. Mặt khác nó cũng cần thiết vì tạo nên tính mềm dẽo để thích nghi với môi trường sống.
Hình 6.10 Sự kết hợp một nucleotide vào sợi DNA bằng việc tạo liên kết ester.
Nucleosidphosphoryl thay thế H ở OH của d'ribose
Những sợi được tạo nên gồm khoảng 1000 nucleotide, được kết hợp nhờ các ligase.
Enzyme này xúc tác tạo liên kết ester giữa gốc phosphate của carbon thứ 5 và nhóm OH ở vị trí carbon thứ 3 của d′ribose. Phản ứng này gắn liền với sự phosphoryl hoá, gốc phosphate do ATP cung cấp. Những sợi mới được tổng hợp tạo xoắn với sợi khuôn, như vậy mạch kép xuất hiện. Người ta gọi sự nhân đôi này là bán bảo tồn vì trong một mạch kép mới thì một sợi có từ trước (bảo thủ) và một sợi mới tạo thành. Hai mạch kép mới hoàn toàn giống với mạch kép ban đầu. Thông tin di truyền đã tăng lên gấp đôi.
Việc sao chép thông tin di truyền là một quá trình có ý nghĩa sinh học vì trình tự các base trong DNA là trình tự các chữ cái, mà với những chữ cái này thông tin di truyền được biểu diễn. Trước khi tế bào phân chia (mitose) DNA được nhân đôi, như vậy những tế bào con có hệ gen giống như tế bào mẹ.