Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 4: Nucleic acid

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 4: Nucleic acid có nội dung trình bày về khái niệm và các loại nucleic acid trong tế bào, thành phần hóa học acid nucleic, cấu tạo của nucleic acid, sinh tổng hợp acid nucleic,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

CHƯƠNG IV: NUCLEIC ACID

NỘI DUNG

• I KHÁI NIỆM

– 1.1 S ơ đồ phân giải nucleic acid

– 1.2 Các lo ại nucleic acid trong tế bào

• II THÀNH PHẦN HOÁ HỌC ACID NUCLEIC

– 2.1 Đường pentose

– 2.2 Các base

– 2.3 Nucleoside

– 2.4 Nucleotide

• III CẤU TẠO

– 3.1 C ấu trúc bậc I của nucleic acid

– 3.2 C ấu trúc bậc II của nucleic acid

• IV SINH TỔNG HỢP ACID NUCLEIC

– 4.1 S ự nhân đôi của DNA

– 4.2 S ự tổng hợp RNA

– 4.3 S ự phân giải nucleic acid

I KHÁI NIỆM VỀ ACID NUCLEIC

• 1.1 Định nghĩa

– Sinh học : acid nucleicÎ v/chất mang th/tin

DT, đ/thời là những t/nhân th/gia th/hiện các th/tin DT này (biểu hiện gen).

– Hoá học: acid nucleicÎ polymer hợp thành

từ những đ/vị c/tạo là các nucleotide Mỗi pt

AN có thể coi là một polynucleotide với số

lượng đ/vị c/tạo khác nhau.

• 1.2 S ơ đồ phân giải nucleic acid

Deoxyribose Các kiềm Nitơ Adenine

Guanine Cytosine Tymine

(Protein)

1.3 Các loại nucleic acid trong tế bào

• 1.3.1 Sự khác biệt giữa Desoxyribonucleic acid (DNA) và Ribonucleic acid (RNA)

Đường desosyribose Đường ribose

Chủ yếu tồn tại trong nhân

tế bào

Chủ yếu là ở tế bào chất

Cấu tạo dạng chuỗi xoắn

kép, lưu trữ thông tin di

truyền

Cấu tạo dạng chuỗi đơn, trực tiếp tham gia quá trình sinh tổng hợp pr

Chứa các gốc kiềm: A,T,G,C Chứa các gốc kiềm: A,U,G,C

1.3.2 Các hình thức phân tử DNA trong tế bào

• Có hai d ạng pt xoắn kép DNA:

– Xoắn kép mở, như một sợi dây thừng, có hai đầu mút, dạng ph/biến của DNA ở Eucaryotes,

• VD: các NST.

– Xoắn kép vòng, pt không có đầu và cuối, vòng

tròn khép kín;

• VD: DNA ở: VSV; trong chất nền ty thể, lục lạp ở đv và tv bậc cao

• DNA x/kép vòng thường không k/hợp với protein

– VD: E coli chứa một pt DNA x/kép vòng, không gắn histon, bản thân vòng lại xoắn nhiều tầng vào nhau thành s/xoắn rất chắc gọn, ph/bố tại vùng nhân (nuclear zone) của bào tương.

1.3.3 Cấu trúc của các loại RNA

• 1.3.3.1 RNA thông tin (m-RNA =

messenger RNA)

– RNA thông tin: 2- 4%, tổng số các RNA của TB.

– Là kq của qtrình schép gien DNA, chính là bản sao đoạn mã DT, được dùng tr/tiếp trong STH protein ở ribosom.

– Ở Eucaryotes, mỗi m- RNA chỉ mã cho một protein (hoặc một chuỗi polypetide)

1.3.3.2 RNA ribosom (rRNA: ribosomal RNA)

• RNA ribosom: khoảng 80% tổng số các RNA

của TB.

• Ribosom có 2 hạ đ/vị (tiểu phần) gắn với nhau

một cách linh hoạt.

• Kích thước của ribosom b/động, tuỳ loại TB:

– Procaryotes thường gặp loại ribosom 70S (gồm 2

hạ đ/vị 30S và 50S) với TLPT khoảng 2,5.106 D

– Eucaryotes, ribosom lớn hơn: 80S (gồm hai hạ

đơn vị 40S và 60S), với khối lượng phân tử từ 3,9 –4,5.106 D

9

1.3.3.3 RNA v ận chuyển (t.RNA)

• Mỗi aa được gắn vào t.RNA riêng của mình để có thể tìm đúng vị trí thứ tự trên mã của m RNA trong hệ thống ribosom

• Cấu tạo: có cấu trúc bậc 2 dạng cỏ ba lá (cloverleaf

structure) vì một số gốc base b/sung nhau tạo lkết

hydrogen

Nhánh gắn aa: tạo bởi xoắn

kép với 7 cặp base b/sung từ đoạn đầu 5’ và đuôi 3’ của ph/tử Nucleotide 5’ thường là

G hoặc C, đuôi 3’ bao giờ cũng

là C-C-A Aminoaxyl được gắn vào vị trí 3’.OH của A.

ở m.ARN), phần xoắn kép do 5 cặp kiềm bổ sung tạo nên.

Nhánh T (hoặc TΨC): chứa

mấy nucleotide bất thường (pseudouridine (Ψ) và thymine), phần xoắn kép do 5 cặp kiềm b/sung tạo nên.

• 2.1 Đường pentose

II THÀNH PHẦN HOÁ HỌC

2 loại, dạng vòng

E-D-ribose (trong RNA) E-D-deoxyribose (trong DNA).

Để ph/biệt C của base và đường, đánh dấu phẩy cho số Ccủa pentose

2.2 Các gốc base

2.3 NUCLEOSIDE

• Hợp thành từ một base và một đường pentose qua liên kết glycoside:

– Giữa N9 và C1' trong cặp purine

– và giữa N1 và C1' trong cặp pyrimidine

Các nucleoside được gọi tên tương ứng như bảng:

Base với D-ribose với D-deoxyribose

Adenine Adenosine (A) Deoxyadenosine (dA)Guanine Guanosine (G) Guanosine (dG)

Uracil Uridine (U)

-Cytosine Cytidine (C) Cytidine (dC)

Thymine - Thymidine (dT)

16

19

Trong acid nucleic, các nucleotide có 1 gốc phosphateCác nucleotide tự do trong TB có thể có 1, 2 hoặc 3 phosphate

• 2.5.1.2 Đặc điểm của cấu trúc bậc I

– Các nucleotide nối với nhau bằng liên kết phosphodiester 3', 5', nghĩa là hai nucleotide gắn thông qua gốc phosphate nối giữa C3' của nucleotide trước với C5' của nucleotide tiếp theo.

2.5 Cấu tạo

- Chuỗi được tạo ra bởi sự nối lần lượt phosphate - đường - phosphate - đường -, …

- Các gốc base gắn với đường nhưng nằm ra bên cạnh.

- Nucleotide ở đầu chuỗi mang nhóm 5'-phosphate tự do,

nucleotide cuối có nhóm 3'-OH

tự do

- Theo qui ước, chuỗi

polynucleotide có đầu 5'-P và

có đuôi 3'-OH

Trong cấu trúc bậc I của acid nucleic, hai yếu tố

được lưu ý đặc biệt:

- S ố lượng nucleotide

- Trình tự sắp xếp nucleotide

- S ố lượng: d/động rộng, từ một vài chục (ở RNA nhỏ trong nhân hoặc các primer mồi để t/hợp AN) đến trên dưới 102 (ở t-RNA), và đến 104, 105, 106 nucleotide

- Trình t ự sắp xếp các base trong chuỗi: là nền tảng cho v/trò th/tin dt của DNA và RNA (nền tảng của mã dt)

bổ sung cho nhau tạo được liên kết hydro)

• 2.5.2.2 Các qui luật Chargaff

– Trong DNA, 6A=6T, 6G = 6C (6 base purin = 6 base

không th/đổi do tuổi, mức độ d/dưỡng, mt sống, …

– Các cơ thể có qh huyết thống có các base giống nhau

2.5.2.3 Mô hình xoắn kép DNA của Jame

Watson và Francis Crick, 1953

- Hai chuỗi đi ngược chiều và s/song qua một trục chính – R của pt bằng 10A°, một ch/kỳ xoắn dài 34A°, với 10 cặp base, mỗi cặp dày 3,4A°, xếp vuông góc với trục chính.

- Vành xoắn tạo bởi các ptử deoxyribose và phosphate xếp xen kẽ liên tiếp nhau Các

base A -T, G-C ph/bố thành cặp trong lòng trụ xoắn kép, gắn bởi lk hydrogen

- Hai chuỗi quấn vào nhau và tạo ở mặt ngoài pt DNA hai rãnh: rãnh lớn và rãnh nhỏ (sâu và nông).

• Từ những ràng buộc trên → hệ quả:

– Trong xoắn kép DNA chỉ có 2 cặp base

th/mãn đ/đủ các đk:

• Adenine - Thymine (A=T)

• Guanine - Cytosine (G { C)

– Hai base purin (A, G) không thể kết đôi vì

quá to, ngược lại 2 base pyrimidin (C, T) lại quá bé, lk hydro khó hình thành.

– → Cặp A với T (hoặc U ở RNA) và cặp G với C là những base “bổ sung” nhau

(complementary base pair).

Lk hydro

1

2 9

6 8

1 3

4 5

Giữa A và T có hai liên kết hydro (N1- N3, C6- C4),

1 2 3

4

7

4

Giữa G và C có 3 l/kết hydro (N1-N3, C2-C2 và C6-C4)

Ý nghĩa nguyên tắc bổ sung gốc kiềm

• Thông qua nguyên tắc bổ sung gốc base, những quy

luật Chargaff được sáng tỏ

• Trình tự các base trên chuỗi này sẽ tự động qui định

trình tự các base chuỗi kia

• Chi phối và điều khiển chặt chẽ những quá trình then

III SINH TỔNG HỢP NUCLEIC ACID

• 3.1 Điều kiện cần thiết để tổng hợp DNA

– Phải có DNA làm khuôn

31

DNA làm khuôn

dAMPdTMPdGMPdCMP

Sinh tổng hợp DNA

Giai đoạn

mở đầu Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn hoàn thiện mạch kế tiếp

33

http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.html

Giai đoạn mở đầu

• Ở E.coli:

– Trình tự nucleotide gắn đặc hiệu với các

protein mở đầu

– Tổng hợp RNA mồi (RNA primer) để

DNA-polymerase III gắn dần các mononnucletide vào đầu 3’ – OH

34

Giai đoạn mở đầu

* Bước 1: Ph/hợp 10 – 20

ph/tử Dna A-protein và ATP

gắn vào trình tự mở đầu với

4 trình tự lặp lại Sau đó các protein kiềm tính gắn vào

vùng với 3 trình tự lặp lại

Ph/hợp này tạo đk để DNA

mở xoắn một phần.

* Bước 2: Với sự th/gia của

Dna C protein, Dna B Helicase gắn vào 2 mạch DNA, mở

xoắn DNA.

* Bước 3: Dna G Primase gắn vào và t/hợp RNA mồi Khi có RNA mồi, qt t/hợp 2 mạch DNA bắt đầu

36

Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn hoàn thiện mạch kế tiếp

• DNA-Polymerase I với hoạt tính

3’-exonucleaseJ RNA mồi được cắt bỏ.

• DNA-Polymerase III tổng hợp lấp đầy các khoảng trống.

• DNA Ligase gắn các đoạn lại với nhau tạo thành mạch kế tiếp của DNA liên tục

39

3.2 Sinh tổng hợp RNA

• 3.2.1 Điều kiện cần thiết để tổng hợp RNA

– Có đủ 4 loại NTP: ATP, GTP, CTP và UTP

– Có các loại RNA-polymerase :

– Phải có DNA làm khuôn

41

DNA làm khuôn

AMPTMPGMPCMP

43

Giai đoạn mở đầu

• RNA-Polymerase hoạt động gắn vào DNA và trượt tự do trên DNA

• Khi gặp trình tự mở đầu RNA-Polymerase tạo với gen khởi động (Promoter) phức hợp Promoter “đóng” trong

đó DNA chưa mở xoắn

• Sau đó phức hợp Promoter “đóng” chuyển sang dạng phức hợp Promoter “mở” trong đó DNA được cởi xoắn

• Phức hợp này gắn pppPu vào và quá trình tổng hợp bắt đầu

46

Giai đoạn tổng hợp

• Trên khuôn của mạch DNA,

RNA-Polymerase gắn các gốc mononucleotide ATP, GTP, CTP, và UTP.

• Khi tạo ra đoạn oligonucleotide khoảng 8 nucleotide, tiểu đơn vị V được tách ra khỏi phức hợp, RNA-Polymerase trong “phồng” phiên mã (transcription buble) tiếp tục xúc tác phản ứng tổng hợp mạch

polynucleotide

47

Giai đoạn kết thúc

• Cách 1: Cần sự tham gia của yếu tố kết

thúc - yếu tố U (Rho)

– Yếu tố U gắn vào phức hợp

DNA-RNA-Polymerase và trượt về phía 3’ của mạch

polynucleotide tổng hợp J giảm sự tương tác giữa DNA khuôn và polynucleotide J phân ly phức hợp:

• Giải phóng DNA

• RNA mới tổng hợp

• RNA-Polymerase

48

Giai đoạn kết thúc

• Cách 2: Qúa trình phiên mã kết thúc khi mạch

polynucleotide hình thành cấu trúc kiểu cặp tóc

– Phức hợp sẽ bị phân ly: giải phóng RNA mới tổng

hợp, DNA và RNA polymerase

• Các RNA mởi tổng hợp nằm ở dạng tiền RNA, chưa có hoạt tính sinh học

• mRNA được bảo vệ khỏi bị thuỷ phân nhờ việc gắn “mữ”

ở đầu 5’-OH và gắn đuôi poly A vào đầu 3’-OH

• Các tRNA, rRNA được hình thành từ tiền RNA nhờ tác dụng thuỷ phân của các enzyme đặc hiệu

50

IV PHÂN GIẢI CÁC NUCLEIC ACID

Nucleosidase

Sự phân giải các purine nucleotide