SINH HÓA HỌC TĨNH chương 4 NUCLEIC ACID

CẤU TRÚC SƠ CẤP CỦA NUCLEIC ACID Cấu trúc chuỗi polynucleotide : • Các mononucleotide nối với nhau bởiliên kết phosphodiester 3’ – 5’→→ tạo thành chuỗi polynucleotide.. • Khung polynucle

BÀI GIẢNG SINH HĨA HỌC

PHẦN I – SINH HĨA HỌC TĨNH

Chương IV- NUCLEIC ACID

TP.HỒ CHÍ MINH-2008

1 Đại cương

2 Cấu tạo

- Mononucleotide

- Polynucleotide - Cấu trúc sơ cấp của nucleic acid

3 Phân loại

- DNA : cấu tạo - đặc tính – vai trị

- RNA : cấu tạo và vai trị của mRNA, tRNA, rRNA & snRNA

MỤC TIÊU

1 nucleoside, nucleotide và nucleic

acid

2 ribose, deoxyribose , các base purine,

pyrimidine v)i các dng enol (lactim) và ketone (lactam) ca

chúng.

3.

cAMP, ATP …

4 cu trúc ca DNA và RNA và nh<ng đi=m khác

quy luBt bC sung các đơi base.

5 vai trị sinh hFc ca DNA và tGng loi RNA.

6 Các kiểu liên kết trong phân tử nucleic acid : LK glycosidic,

LK este, LK phosphodiester, LH hydrogen.

1 ĐẠI CƯƠNG

• Nucleus = nhân ; nucleic acid : acid lần đầu tiên được tìm thấy trong nhân tế bào→→ acid nhân

• NUCLEIC ACIDlà các phân tử sinh học chứa

thơng tin di truyền, chúng được hình thành từ các

nucleotide polymers, hiện diện trong mọi tế bào, ở dạng tự do hay kết hợp với protein →→

nucleoprotein

Chức năng

• Bảo tồn mật mã thông tin di truyền;

• Tham gia qúa trình sinh tổng hợp protein

NUCLEOPROTEIN

PROTEIN ĐƠN GIẢN

(Histone)

NUCLEIC ACID (Polynucleotide)

MONONUCLEOTIDE CÁC BASE :

-Purine : Adenine (A)

Guanine (G)

- Pyrimidine : Uracil (U) Cytosine (C) Thymine (T)

PENTOSE :

Ribose Deoxyribose

H3PO4

Nucleoside

2 CẤU TẠO

2.1 MONONUCLEOTIDE

Thành phần nucleotide

Base – pentose – acid phosphoric

Base – pentose →→nucleoside

Danh pháp nucleoside (B.4.1, T.78)

Nucleoside + phosphate →→nucleotide

Danh pháp nucleotide

(nucleoside monophosphate) (B.4.2, T.79)

3 N

N 1

N H

7

H2N

O

Guanine - dạng ketone

(2-amino 6-oxy purine)

5 6

8

PURINE

N

N 2

N H

N 6

N

HN 2

N H

N 6

Adenine (A)

(6-amino purine)

H2N

O H

Guanine (G)- dạng enol (2-amino 6-oxy purine)

N

N 2

N H

N 6

N

N 3

2

4

5 6

PYRIMIDINE

N

H

N 2 4

O

NH2

N

H

HN 2 4

O

CH3

5

O

N

H

HN

2

4

O

5

O

Cytosine (C)

(2 oxy- 4 amino pyrimidine)

Thymine (T)

(2,4 dioxy-5 methyl pyrimindine)

Uracil (U)

(2,4 dioxy pyrimindine)

β β-D-Deoxyribose

OH H

1’

5’

2’

3 4

H β

β-D-Ribose

OH H

1’

5’

2’

3’

4’

OH

OH

O = P – OH

OH Acid phosphoric

THÀNH LẬPNUCLEOSIDE vàNUCLEOTIDE

N9PURINE (A, G) –C1’PENTOSE (ββ

β-D-Ribose βββ-D-deoxyribose)

N1PYRIMIDINE (U, C, T) –C1’PENTOSE

(βββ-D- Ribose βββ-D-deoxyribose)

→p/ứng khử nước tạoliên kết βββ-glycosidic

củaNUCLEOSIDE

C5’nucleoside + gốc (P) →→NUCLEOTIDE

→p/ứng khử nước tạoliên kết ester

NH2

N

2

N

N

2 4

O

NH2

HOCH2

H

OH H

1’

5’

2’

3’

4’

OH

HOCH2

H OH

H

1’

5’

2’

3’

4’

H

9

N 1

1

3

N 1

N

7 6

2

5

NUCLEOSIDE

Adenosine

(Adenine ribonucleoside)

Deoxycytidine

(Cytosine deoxyribonucleoside)

5 6 3

LK β-glycosidic

Deoxyaden osine Deoxyguan osine Deoxyur idine

Deoxycyt idine

Deoxythym idine

Aden osine

Guan osine

Uridine

Cytidine

Thymine ribonucleoside

hay Ribothymidine (hieám)

Adenine

Guanine

Uracil

Cytosine

Thymine

Deoxyribonucleoside Ribonucleoside

Base

DANH PHÁP NUCLEOSIDE(B.4.1, T.78) NUCLEOTIDES

Nitrogenous base

Sugar: pentose

Phosphate group

NUCLEOTIDE

NH2

N

2

N

N 6

HO-P-O- CH2

H

OH H

1’

5’

2’

3’

4’

OH

9

1

3

N 1

N

7 6

2

5

NH2

N

2

N

N 6

O CH2

H

O=P

H

1’

5’

2’

3’

4’

OH

9

1

3

N 1

N

7 6

2

5

OH

OH

Adenosine-5’-monophosphate

(AMP) (acid adenilic)

Adenosine-5’3’-monophosphate cyclic

(cAMP3’5’)

O

OH

LK ester

• NUCLEOSIDE: Gốc base – pentose

LK glycosidic

• NUCLEOTIDE: Gốc base – pentose – H2PO3

LK glycosidic LK ester

• NUCLEIC ACID: polynucleotides

LK phosphodiester

N

2

N

N 6

HO- P∼O- P ∼O - P- O- CH2

H

OH H

1’

5’

2’

3’

4’

OH

9

1

3

N 1

N

7 6

2

5

O

OH

Adenosine-5’- Triphosphate (ATP)

Adenosine-5’- Diphosphate (ADP)

Adenosine-5’- Monophosphate (AMP)

O O

Deoxythymidine 5’-monophosphate = dTMP

Thymine ribonucleoside 5’-monophosphate (hieám) Thymine

Deoxycytidine 5’-monophosphate = dCMP

Cytidine 5’-monophosphate = CMP

Cytosine

Deoxyuridine 5’-monophosphate = dUMP

Uridine 5’-monophosphate = UMP

Uracil

Deoxyguanosine 5’-monophosphate = dGMP

Guanosine 5’-monophosphate = GMP Guanine

Deoxyadenosine 5’-monophosphate = dAMP

Adenosine 5’-monophosphate = AMP Adenine

Deoxyribonucleoside 5’-monophosphate

Ribonucleoside 5’-monophosphate Base

2.2 CẤU TRÚC SƠ CẤP CỦA NUCLEIC ACID

Cấu trúc chuỗi polynucleotide :

• Các mononucleotide nối với nhau bởiliên kết

phosphodiester 3’ – 5’→→ tạo thành chuỗi

polynucleotide

• Khung polynucleotide : các đường pentose và

gốc (P) nối với nhau tạo thành xương sống của

polynucleotide, các gốc base phân bố quanh

khung này

Tính đặc trưng sinh học của phân tử acid

nucleic do trật tự các gốc basetrong chuỗi

polynucleotide (trong cấu trúc sơ cấp) quyết

Lieân keát phosphodiester 3’→5’

OH O=P-OH O

CH2 5’P

3’OH

A

C 3’

5’

Cấu trúc của

polydeoxyribonucleotide

LK phosphodiester nối hai

monophosphate nucleotides với nhau

LK phosphodiester rất linh hoạt → → → cho

phép poly(deoxy)ribonucleotide quay tự

do một góc nhất định.

Polynucleotides có 2 đầu xác định :

- Đầu 5 ’-P mang một hoặc nhiều hơn

các gốc phosphate,

- Đầu 3 ’-OH

Phosphodiester bond

Phosphodiester bond

Đầu 3’-OH

3 PHÂN LOẠI

T/g TH protein Bảo tồn MM TTDT

Chức năng

10 4 – 10 6 dalton

10 6 – 10 8 dalton Ptt

TBC (90%) Nhân (gần 100%)

Khu trú

Chuỗi đơn Chuỗi kép

Cấu tạo

U G C A

T G C A Các base

β β-D-Ribose β

β-D-deoxyribose Đường

RNA ( R ibo N ucleic A cid DNA

( D eoxyribo N ucleic A cid

3.1 DNA

 CẤU TẠO

Mô hình Crick-Watson (1953) : 3 đặc tính quan trọng

Xoắn kép :Hai chuỗi polynucleotide xoắn kép, Đối song: một sợi hướng 5’ →→→ 3’ (trên xuống)

sợi kia 3’ →→→ 5’ (dưới lên) Bổ sung: Purine (G) ……… Pyrimidine (c)

Pyrimidine (T) … Purine (A)

Watson and Crick, 1953

Discovery of the DNA

molecule structure

DNA = nucleotide polymers

Four types of nucleotides: A, T, C and G

D eoxyribo N ucleic A cid

4 NUCLEOTIDES CỦA DNA

Các mẫu tự thật sự có ý nghĩa như sau :

A = nucleotide với adenine T = nucleotide với thymine

C = nucleotide với cytosine G = nucleotide với guanine

phải)

Xoắn kép

Đối song

Quy tắc bổ sung các gốc base trong cấu trúc xoắn

kép của DNA: C G : 3 liên kết H

T A : 2 liên kết H

1 bước xoắn cĩ 10 cặp base, 1 cặp dày 3,4A 0

→

→ 1 bước xoắn dày 34 A 0

Hai sợi xoắn bổ sung → → → bảo vệ TTDT, cấu trúc bền

CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA PHÂN TỬ DNA

Xoắn kép mở(double strand – ds) : phổ biến ở

người, động vật, thực vật → eukaryotic cells

Xoắn kép vòng: đặc trưng cho vi sinh vật →

prokaryotic cells

Một chuỗi đơn(single strand – ss) : Cá biệt ở thực

khuẩn thể X174 DNA

Plasmid : DNA vòng nhỏ, chứa một ít gene, liên hệ

tới một vài đặc tính của VSV (nằm ngoài chuỗi DNA

chính)

DNA DẠNG VÒNG TRONG TY THỂ

Mã hóa các t RNA, r RNA, các enzyme của chuỗi oxid hóa-phosphoryl hóa thành lập ATP

DNA DẠNG VÒNG SIÊU XOẮN CỦA

VI KHUẨN

Plasmid :DNA vịng nằm ngồi NST của vi

khuẩn, mang các gene kháng thuốc

TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA DNA

 DNA cĩ khả năng tựtách đơivàtái bản nhân đơi

theo nguyên tắc bán bảo thủ →→bMo tồn đNy đ

TTDT khi t bào phân chia

 DNA cĩ khả năng sao mã, tổng hợp nên các p/t

mRNAtương tự chúng (theo nguyên tắc bổ sung, thay T trên DNA bằng U trên mRNA) →→TTDT

từ DNA sang khuơn thứ cấp mRNA, mRNA trực tiếp làm khuơn mẫu t/h protein ở ribosome →→→ TTDT mã hố trong nhân được biểu thị thành các tính trạng của sinh vật

Sự tái bản DNA ở eukaryote Sao chép mRNA theo nguyên tắc bổ sung các gốc base

CHỨC NĂNG CỦA DNA

Di truyền học đã xác định trong hầu hết các sinh vật

DNA giữ vai trị bảo tồn và truyền đạt TTDT từ thế hệ

này sang thế hệ khác (trong phân bào đẳng nhiễm và

phân bào giảm nhiễm) Chỉ ở một số lồi virus chức

năng này được đảm nhận bởi RNA.

TTDT từ DNA → → → enzyme → → → E kiểm sốt các đặc điểm

cơ bản của quá trình TĐC → → → biểu hiện các tính trạng của

sinh vật.

Mỗi bộ ba nucleotide (triplet-codon) mã hĩa một AA 4 loại

gốc base → → → 64 codon (3 codon vơ nghĩa : UAG, UAA &

UGA)

CÁC KHÁI NIỆM CẦN LƯU Ý

• Nucleosome?

• Chromosome?

• Chromatine?

• Gene?

• Genetic code?

• Chromatide?

Tế bào người chứa 46 phân tử DNA

Mỗi phân tử DNA quấn quanh các phân tử proteins

(histones) và tạo ra một chromosome

DNA

Histones

Tồn bộ chromosomes tạo thành chromatine

Một chromosome = một phân tử DNA liên kết với các proteins

Từng đoạn DNA (khoảng 200 bp) được đóng gói lại bằng cách quấn quanh lõi các histone Sợi NST giống như một chuỗi các

nucleosome.

Nhiễm sắc thể (Chromosome)

Mỗi tế bào người (ngoại trừ tế bào mầm) chứa bộ đơi của

23 chromosomes → 46 chromosomes /tế bào.

Trong mỗi cặp chromosome, một cái từ người cha và

một cái từ người mẹ

Từ cha

Chromosomes

Từ mẹ

Genome Comparison

ORGANISM CHROMOSOMES GENOME SIZE GENES

Homo sapiens

(Humans)

23 3,200,000,000 ~ 30,000

Mus musculus

(Mouse)

20 2,600,000,000 ~30,000

Drosophila

melanogaster

(Fruit Fly)

4 180,000,000 ~18,000

Saccharomyces

cerevisiae

(Yeast)

16 14,000,000 ~6,000

Zea mays (Corn) 10 2,400,000,000 ???

CẤU TRÚC GENE

M0t gene bao gTm trình t2 nucleotides ca DNA

m0t p/tribonucleic acid hoVc m0t p/tprotein.

Như vậy :

- Một gene có thể mã hóa cho sự tổng hợp một protein

- Một gene cũng có thể mã hóa cho sự tổng hợp một

rRNA hay tRNA (có hàng ngàn gene tồn tại trong genome).

Gene = đoạn DNA sao chép thành RNA

MÃ DI TRUYỀN (N ( THE GENETIC CODE)

DNA = Thông tin mã hóa

= Mã di truyền

Mã (Code) = tạo ra sự

tương ứng của một

nhóm tính trạng hay

something else.

Translation

Folding

Double strand DNA Matrix strand

Genetic code

Messenger RNA Bases complementarity

Protein

Protein

The genetic code (gi ải mã giữa 1960 v à 1964)

Cĩ 64 tổ hợp (triplets = codons) mã hĩa cho 20

amino acids.

Code dư thừa (thối hĩa) : tất cả các amino acid

ngoại trừ methionine và tryptophan được mã hĩa hơn

một codon.

Ba triplets khơng mã hĩa, chấm dứt tổng hợp

protein : « STOP codon » (UAA, UAG & UGA).

codon »

BẢNG MÃ DI TRUYỀN

Dictinctive codons of human mitochondria

Stop

Arg AGG

Stop

Arg AGA

Met Met

AUG

Met

Ile AUA

Trp Trp

UGG

Trp

Stop UGA

Mitochondria

l code

Standard code

3.2

3.2 RIBONUCLEIC ACID (RNA)

- rRNA = r ibosomic R ibo N ucleic A cid, là một hợp phần của cấu trúc ribosomes ;

- tRNA = t ransfer R ibo N ucleic A cid, vận chuyển amino acid đã được hoạt hĩa để tổng hợp protein

- mRNA = m essenger R ibo N ucleic A cid , là sản phẩm của sự sao chép gene, chúng mang thơng tin để dịch ra protein.

- snRNA ( s mall n uclear R ibo N ucleic A cid)

Pre-mRNA snRNA mRNA rRNA tRNA

PROTEIN

Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử

(2) (1)

(3)

Những điểm khác nhau

của RNA so với DNA:

• Nucleotide sugar = ribose

• Thymine (T) thay thế bởi

Uracyl (U)

(U bắt cặp với A)

• Một chuỗi đơn nucleotide

• Phân tử ngắn hơn và kém

bền hơn DNA

 mRNA (m = messenger : người đưa thư) : là bản sao TTDT từ DNA (nên gọi là khuơn thứ cấp) : sao chép theo nguyên tắc bổ sung :

Base DNA sense : T A C G

Base DNA template : A T G C

Base trên mRNA : U A C G

- mRNA trực tiếp làm khuơn mẫu để tổng hợp protein ở ribosome

- Đời sống ngắn : ở VK chỉ vài phút, ở eukaryote : vài ngày

- Mỗi bản mRNA cĩ thể được đọc nhiều lần.

T-RNA (t = transfer - vận chuyển)

• Phân tử cĩ kích thước trung bình khoảng 100

nucleotide

• Cấu trúc là một chuỗi polynucleotide cuộn gập

bổ sung, bắt cặp, tạo hìnhlá chẻ ba Những

vùng khơng bắt cặp tạo thành cácnút lồi (loop)

với các chức năng khác nhau

• Cĩ 61 codon mã hĩa 20 loại AA, nhưng khơng

cần tới 61 tRNA, đĩ là do sự bắt cặp lỏng lẻo

giữa anticodon-tRNA và codon-mRNA (hiện

tượng Wobble)

Hữu nhũ : 22 tRNA ty thể

Giống nhau ở tất cả các t

RNA

Anticodon I/U,C,A codon

• mRNA-Gly

• GG U

• GG C

• GG A

• GG G

• I = Inosine (Hypoxanthine-ribose)

Hữu nhũ : 22 tRNA ty thể

32 tRNA tề bào chất

Wobble

A,U , C

A, G

U, C G

U

Codon

I U G C

A

Anti-codon

3’

• Là RNA của ribosome Chúng kết hợp với protein tạo thành ribosome, là nơi đọc MM TTDT và thực hiện qúa trình tổng hợp protein.

• Prokaryote : R70S = R30S (1 rRNA 16S + 21 protein)

R50S (2 rRNA : 5S và 23S + 34 protein)

(S = Svedberg : đơn vị đo tốc độ lắng, 1S = 10 -13 giây

HS lắng tỷ lệ với tốc độ lắng của p/t trong trường ly tâm và tỷ lệ với kích thước và hình dạng của p/tử)

Eukaryote : R80S = R40S (1 rRNA 18S + 33 protein)

R60S (3 rRNA : 5S, 5.8 S và 28S + 45 protein)

Ribosome

- R40S(R30S) : gắn với mRNA

- R60S(R50S) : Aminoacyl site (A site) : tiếp nhận AA

Peptidyl site (P site) : chứa chuỗi peptide

CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT Ở VIRUS

• Vài virus chứa DNA sợi đơn : macrophage

φ

φX174 (virus nhiễm vào E.coli)

• Vài virus chứa RNA là vật liệu di truyền : virus

khảm thuốc lá, virus gây cảm lạnh, virus cúm

• Một số virus RNA sao chép ngược qua trung

gian DNA →→→ Retrovirus :

HIV(HumamImmunodeficiency Virus) gây bệnh

AIDS(Acquired Immune Deficiency Syndrome)

là một điển hình

VIẾT CHUYÊN ĐỀ

• Hãy tìm hiểu về virus cúm gà (avian influenza virus) H5N1:

• - Cấu trúc của influenza virion?

• - Influenza virus nằm trong nhóm nào của bảng phân loại virus?

• - Genome của influenza virus?

• - Cách sinh sản?

• - Con đường truyền lây?

• - Các biện pháp hạn chế thiệt hại khi dịch bùng nổ?