chương ii acid nucleic và cơ chế di truyền tế bào

Có một số dinucleotide được biết trong đó nhóm phosphate giống với liên kết 3’, 5’- phosphodiester, chúng không nhận được từ acid nucleic mà tìm thấy ở dạng tự do trong tế bào.. Trong cả

Về mặt hoá học: Acid nucleic là những polyme tự nhiên được cấu tạo từ các monome

là các nucleotide

2 C ấu trúc của Acid nucleic

Acid nucleic chia làm 2 loại là: DNA và RNA

DNA: Desoxyribonucleic acid

RNA: Ribonucleic acid

Chúng là các polyme được cấu tạo từ các monome nucleotide

2.1 Nucleotide

Nucleotide có 3 thành phần: Base nitơ, đường 5 carbon, và acid phosphoric Ba thành

phần này nhận được khi thuỷ phân nucleotide

2.1.1 Base nit ơ

Hai loại Base nitơ được tìm thấy trong nucleotide là dẫn xuất của pyrimidine và purine dịvòng thơm Purine là dẫn xuất của vòng pyrimidine và imidazole

Mononucleotide Pyrimidine Purine

Cách đánh số của Châu Âu Cách đánh số của Mỹ

Ba se Pyrimidine: Base pyrimidine được tìm thấy trong nucleotide là:

Cytosine viết tắt là C: vị trí 6 có nhóm amin (NH2), vị trí 2 có nhóm OH

Uracil viết tắt là U: vị trí 6 và 2 có nhóm OH, U chỉ có trong RNA

Thymine viết tắt là T: vị trí 6 và 2 có nhóm OH, vị trí 5 có nhóm metyl -CH3, T chỉ có trong DNA

Các pyrimidine chính

(2-0ci-4-aminpyrimidine) (2,4-diocpyrimidine) (5-methyl-2,4- đĩoxypỷrimidine)

Phosphate

Base purine haypyrimindin

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 36

Base Purine: Hai base Purine chính tìm thấy trong Nucleotide là Adenine và Guanine,

viết tắt là A và G

Một số base purine hiếm như: 2-methylAdenine và 1-methyl-Guanine Ngoài ra, một số

ít base pyrimidine hiếm cũng được tìm thấy là 5-methylcytosine, 5-hydroxymethylcytosine

Các tính chất của base purine và pyrimidine rất giống nhau Chúng ít hoà trong nước và

tồn tại ở dạng hỗ biến: nghĩa là có khả năng biến đôi giữa dạng lactim (dạng enol) và dạng latam (dạng ketone)

Tất cả các base purine và pyrimidine của acid nucleic hấp thụ rất mạnh ánh sáng tửngoại trong vùng bước sóng từ 260 đến 280nm Khả năng hấp thụ cực đại ở bước sóng 260

nm Tính chất này có ý nghĩa lớn để định tính và định lượng không chỉ các base tự do mà cảcác nucleoside, nucleotide và phân tử acid nucleic nguyên vẹn

Các base purine và pyrimidine rất dễ phân tích và nhận biết bằng phương pháp sắc ký giấy hoặc sắc ký lớp mỏng

2.1.2 Đường Pentose

Các Purine chính

Adeninee Guaninee (6-aminpurine) (2-amin-6-oxypurine)

Trong acid nucleic có chứa đường 5 carbon ở dạng β-D-furanose Chúng được chia làm 2 loại là ribose và desoxyribose Acid nucleic chứa desoxyribose gọi là desoxyribonucleic acid (DNA) Để phân biệt các bon của đường người ta thêm dấu phảy ở các vị trí của nó, ví dụ3’, 5’ là chỉ vị trí C số 3, số 5 của đường.

Đường ribose Đường desoxyribose

2.1.3 Acid phosphoric: trong nucleotide nó gắn với đường hoặc ở vị trí C5 hoặc ở vị trí

C3 và có cách ghi chép tương ứng là 5/ - phosphate hoặc 3/

- phosphate

Trong các nucleotide tự do H3P04 hay gọi là gốc phosphoryl bao giờ cũng gắn ở vị trí C5

với số lượng có thể từ 1,2,3 gốc, tương ứng có các hợp chất là mono, di, tri phosphate

Cách đọc: Base purin có đuôi là ozin: adenine đọc là adenozin; guanine đọc là

guanozin, ví dụ: adenine + pentose + H3P04đọc là Adenozin mono phosphate

Base pirimidin có đuôi là idin: Cytosine đọc là Cythydine; Uracil đọc là Uridine và Thymine đọc là thymidin, ví dụ: thymine + pentose + H3P04đọc là Timidin mono phosphate

Cách vi ết: Ví dụ1: Adenozin mono phosphate(AMP): đường gắn với base qua vị trí N

số 9 của base, phosphate gắn với đường qua vị trí C số 5 của đường Khi tồn tại ở dạng mono phosphat thì gọi là acid adenylic, nếu gắn với 2 gốc phosphate thì gọi là Adenozin di phosphate (ADP) nếu là 3 gốc phosphate thì gọi là Adenozin tri phosphate (ATP)

Ví dụ 2: Uridine mono phosphate: đường gắn với vị trí 3 của base, phosphate gắn với vịtrí 5 của đường Tương tự ta cũng có các hợp chất UMP, UDP UTP

N

N N

N

NH2

O

H OH

H H

H H

O

H OH

H H

H H

NH O

O N

H3C

O P

O

O-CH2

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 38

Các nucleotide khi trước nó có chữ D là chỉ đường cấu tạo của nó là desoxyribose

2.1.4 Nucleoside

Khi nucleotide bị thuỷ phân làm mất gốc phosphate tạo thành nucleoside Liên kết giữa các nucleoside là N-glycoside liên kết giữa các base purine và pyrimidine, trong đó nguyên tửcarbon 1’ của pentose liên kết với nguyên tử N3 của pyrimidine hay nguyên tử N9 của purine Ribonucleoside có thành phần đường là D-ribose, và 2’-desoxyribonucleoside, có 2-desoxy-D-ribose Tên của 4 nucleoside chính là adenoseine, guanoseine Cythydine, Uridine và 4 desoxyribonucleoside chính là 2’-desoxyadenoseine, 2’-desoxyguanoseine, 2’-desoxycididine, 2’-desoxythymidine

Các nucleotide hoà tan rất nhiều trong nước, hơn cả các gốc base của chúng Chúng

cũng được phân tách dễ dàng bởi sắc ký lớp mỏng hay sắc ký giấy

Nucleoside dễ dàng bị thuỷ phân khi đun nóng trong acid Sản phẩm của sự thuỷ phân là các base ni tơ và các pentose tự do, các nucleoside pyrimidine bền hơn các nucleoside purine Các nucleoside còn bị thuỷ phân bởi các nucleoseidase chuyên hoá

Hai nucleoseine

Adenoseine 2-Desoxyadenosein(q-

ββββ-D-ribofuranoseilAdenine (q- ββββ-D-2 ’

-desoxy-D-ribofuranoseilAdenine)

2.1.5 Nucleotide

Nucleotide là ester của acid phosphoric và nucleoside Acid phosphoric liên kết với nhóm OH tự do của pentose Nucleotide tự do có vai trò rất quan trọng trong tất cả các tế bào Chúng cũng được tạo thành khi thuỷ phân nhẹ acid nucleic, đặc biệt là bởi Enzyme nuclease Nucleotide có 2-desoxy-D-ribose là desoxyribonucleotide, nếu có D-ribose được gọi là ribonucleotide Trong nucleoside có 2 hoặc 3 nhóm OH tự do, nhóm phosphate có thể liên kết

với những vị trí đó trên pentose Trong trường hợp desoxyribonucleotide, acid phosphoric có

thể ester hoá ở vị trí 3’ và 5’ Cả hai loại 3’- và 5’-desoxyribonucleotide đểu thấy ở các cơ thểsinh vật còn ribonucleotide thì nhóm phosphate có thể ỏ vị trí 2’, 3’ và 5’ Tất cả 3 loại ribonucleotide là sản phẩm của RNA, phụ thuộc vào điều kiện thuỷ phân, monophosphate vòng của Adenoseine cùng được tồn tại Tuy nhiên, nucleotide dạng tự do trong tế bào có nhóm phosphate ở vị trí 5’ chiếm ưu thế Vì vậy, các phản ứng Enzyme khi tổng hợp hay phân giải acid nucleic trong tế bào thì nucleoside-5’-phosphate là chất trung gian Hình 2.1 là

cấu trúc cơ bản và cách gọi tên của các ribonucleoside 5’-monophosphate chính (còn gọi là 5’-ribonucleotide) và desoxyribonucleoside-5’-monophosphate (còn gọi là 5’-desoxyribo nucleotide) thường còn có tên acid adenilic, acid guanilic, acid uridilic )

C ấu trúc chung C ấu trúc chung

Adenine ribonucleoside

Monophosphate

Acid adenoseine 5 ’

-phosphateric Acid adenoseine 3 ’

-phosphateric Acid adenoseine 2 ’

-phosphateric Acid adenoseine 3 ’

, 5 ’

-phosphateric (Acid adenilic; acid 5 ’

-adenilic) (Acid acid 3 ’

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 40

Acid uridine 5’-phosphoric

(Acid uridilic; UMP)

Acid desoxyadenoseine 5’-phosphoric (Acid desoxyadenilic; dAMP)

Acid desoxyguanoseine 5’-phosphoric (Acid desoxyguanilic; dGMP)

Acid desoxycytidin 5’-phosphoric (Acid desoxycytidilic; dCMP) Aciddesoxythymidin 5’-phosphoric (Acid desoxythymidilic; dTMP)

Các mono nucleotide có các base purine và pyrimidine nên hấp thụ ánh sáng mạnh ở

bước sóng 260nm Chúng dễ dàng được phân tách bởi các phương pháp sắc ký lớp mỏng, sắc

ký giấy, sắc ký trao đổi ion

Nhóm 5’-phosphate của các nucleotide dễ dàng bị thuỷ phân bởi acid Ngoài ra enzyme

5’-nucleotidase cũng thuỷ phân được nhóm phosphate ở vị trí 5’, nhưng không phân giải liên

lết N-glycoside

2.1.5 Các nucleoside 5’-diphosphate (NDP) và 5’-triphosphate (NTP):

Các hợp chất của ribonucleoside và 2’-desoxyribonucleoside như diphosphate và

5’-triphosphate cũng được tìm thấy trong tế bào Cấu tạo chung và viết tắt được giới thiệu ở hình

2.2

Nhóm phosphate của hợp chất được ghi bằng ký hiệu α,β,γ Tất cả NTP và NDP đều

có trong tế bào, có thể tách chiết bằng acid

Vi ết tắt của Ribonucleoside 5’-phosphate

Adenine Guanine Cytosine Uracil

AMP GMP CMP UMP

ADP GDP CDP UDP

ATP GTP CTP UTP

Vi ết tắt của desoxyribonucleoside

5’-phosphate Base

Adenine Guanine Cytosine Thymine

dAMP dGMP dCMP dTMP

-Di dADP dGDP dCDP dTDP

-Tri dATP dGTP dCTP dTTP

Hình 2.2 Cấu tạo chung của nucleoside

5’-mono-, 5’-di-, và 5’-triphosphate

(NMP, NDP và NTP) và các chữ viết tắt

Trong desoxyribonucleotide, pentose là

2’-desoxy-D-ribose

Nucleoside 5 ’ -monophophate (NMP) Nucleoside 5 ’ -diphophate (NDP)

Nucleoside 5 ’ -triphophate (NMP)

NTP có nhiều chức năng quan trọng, ATP là chất mang năng lượng hoá học cơ bản trong tế bào, cung cấp vận chuyển các nhóm phosphate cao năng đến các quá trình đòi hỏi

năng lượng Dạng ADP và AMP được phosphoryl hoá thành ATP trong quá trình hô hấp ATP-ADP là cặp cơ bản hoặc là “đường chính” vận chuyển phosphate trong tế bào Ngoài ra các nguồn NTP khác cũng cung cấp năng lượng do liên kết phospho trong các phản ứng sinh tổng hợp

Chức năng chính thứ 2 của NTP và NDP là các chất mang đặc biệt như Uridine diphosphate (UDP)- mang gốc đường trong tổng hợp polysacchacaride Thí dụ Uridine diphosphate glucose nhường gốc glucose trong sinh tổng hợp của glycogen Tương tự, Cytidine diphosphate choline chuyển Choline trong sinh tổng hợp phospho glicerol choline

Uridine diphosphate Glucose Cytidine diphosphate choline

nội bào dưới tác dụng của hệ thống enzyme adenylacyclase hay guanylatcyclase Mọi sự biến đổi của cơ thể để đáp ứng với ngoại cảnh cũng như với quá trình phát triển cá thể đều thông qua việc tác động đến tế bào mà kết thúc là làm thay đổi sự hoạt động của các enzyme trong tế bào, sự tác động này là thông qua nucleotide vòng

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 42

3',5'-AMP vòng 3',5'-GMP vòng

2.1.6 Các mononucleotide khác

Có nhiều mononucleotide quan trọng khác như nicotinamide mononucleotide và coEnzyme A, các base nitơ của chúng có liên kết β-N-glycoside ở vị trí 1’ của D-ribose (Hình 2.3) Nicotinamide mononucleotide và flavinmononucleotide có nicotinamide và 7,8-dimethylizoallocaseine là các base nitơ Acid nicotinic là vitamin cần thiết trong dinh dưỡng của người và nhiều động vật Sự thiếu hụt nó là nguyên nhân của bệnh Pellaga gây chết người

và bệnh lưỡi đen của chó

Acidpanto tenic

(3’P ADP)

Acid pantotenic

ββββ - ecaptoethylamine Acid nicotinic

Hinh 2.3 CoEnzyme mononucleotide Chúng đều có vitamin tham gia

FMN có chứa alcohol D-ribotol, đường 5 carbon Khác với D-ribose nó là coEnzyme oxy hoá khửquan trọng tham gia vào quá trình hô hấp Vòng izoallocasein bị oxy hoá khử thuận nghịch FMN cũng là tiền chất trong tổng hợp của flavin Adenine dinucleotide (FAD)

CoEnzyme A có Adenine liên kết β-glucoside với vị trí 1’ của D-ribose Ở vị trí 5’ của D-ribose có nhóm acid pyrophosphoric, nó được ester hoá với hợp chất peptide

Panthotenyl β-aminethantiol 8β-mercaptoethylamine Acid panthotinic là một vitamin

của nhóm B, nó cần thiết trong dinh dưỡng của tất cảđộng vật có xương sống, chức năng của coEnzyme A là mang nhóm acetyl và acyl của acid béo, chúng được ester hoá thành nhóm thiol

2.2 Dinucleotide

Dinucleotide gồm có 2 đơn vị mononucleotide

được nối với nhau bởi cầu acid phosphoric (hình 2.4)

Phần lớn dinucleotide là sản phẩm của sự thuỷ phân

acid nucleic bởi Enzyme Như vậy trong dinucleotide

cầu liên kết là phosphodiester giữa vị trí 5’ của

D-ribose của 1 nucleotide với vị trí 3’- của 1 nucleotide

khác Có một số dinucleotide được biết trong đó nhóm

phosphate giống với liên kết 3’, 5’- phosphodiester,

chúng không nhận được từ acid nucleic mà tìm thấy ở

dạng tự do trong tế bào Thí dụ 3 coEnzyme oxy

hoá-khử được hiểu biết đầy đủ nhất là nicotinamide

Adenine dinucleotide (NAD), nicotinamide Adenine

dinucleotide 2’-phosphate (NADP) và Flavin Adenine

dinucleotide (FAD) Mỗi một coEnzyme có chứa

adenoseine 5’-monophosphate; NAD và NADP luôn

luôn có nicotinamide mononucleotidee (Hình 2.5)

Trong cả 3 Enzyme, 2 đơn vị mononucleotide được nối với nhau bởi liên kết anhydride

giữa nhóm phosphate của chúng tạo thành cầu 3’,5’-pyrophosphate NADP nhận được từNAD, nó được ester hoá bởi một phân tử acid phosphoric khác đến vị trí 2’ của Adenine mononucleotide Chính NAD và NADP là coEnzyme trong hệ Enzyme phản ứng oxy hoá khử

FAD gắn 1 phần tử của Adenine ribonucleotide và 1 của flavin mono nucleotide nối với nhau bởi liên kết anhydride giữa các nhóm 5’-phosphate của chúng Chu trình izoallocasein của FMN và FAD oxy hoá khử thuận nghịch

Hình 2.4 Cầu acid phosphoric (hay liên

kết 3’,5’ phosphodieste) trong dinucleotide

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 44

2.3 C ấu trúc bậc I của acid nucleic: Đây là cách liên kết giữa các nucleotide lại với

nhau thông qua liên kết phospho este để tạo nên chuỗi nucleotide Liên kết phospho este là liên kết được hình thành nhờ sự liên kết giữa acid phosphoric của nucleotide này với các bon

số 3 của pentose ở nucleotide bên cạnh Như vậy phần base được tự do, đường và phosphate

tạo thành dây nối Ví dụ ta có đoạn nucleotide: A-X-U

Hình 2.5

Các coEnzyme dinucleotide

Flavin Adenine dinucleotide (FAD)

Nicotinamide Adenine dinucleotide (NAD) còn được

g ọi là diphosphopyrimidine nucleotide (DPN)

Nicotinamide Adenine dinucleotide phosphate (NADP) c ũng được gọi là triphosphopyrimidine

nucleotide (TPN), nó có 3 nhóm phosphate

Trong NADP nhón OH này được ester hoá với phosphate

Nicotinamid e

N N N N

NH2

O H O

H H H H

H2C

N

NH2

O N O H O

H H H H

OH

NH O

O N O OH OH

H H H H

H2C P

OH

Đặc điểm của chuỗi:

Đầu chuỗi có một gốc phosphate tự do gọi là đầu 5/

- P Cuối chuỗi có một gốc OH ở C

số 3 của đường ở trạng thái tự do gọi là đuôi 3/

- OH

Trong chuỗi nucleotide có đặc điểm quan trọng sau:

Thứ tự sắp xếp trước sau của các nucleotide (hay nói khác đi là của các base) là nền

tảng của hiện tượng di truyền Nó tạo nên tính đặc trưng sinh học của acid nucleic, từ đó

quyết định cấu trúc di truyền bậc I của protein Vì chỉ có 5 loại base, nếu xét từng loại acid

nucleic thì chỉ có 4, mà acid nucleic là mã di truyền cho cấu trúc bậc I của protein, tức là phải

mã được cho 20 loại acid amin, mà khả năng khác nhau lại chỉ có 4, vậy thì mâu thuẫn Để

giải quyết mâu thuẫn này nếu tổ hợp 2 nucleotide cho 1 mã thì ta có 42 = 16 khả năng, như

vậy vẫn chưa được Nếu tổ hợp 3 nucleotide cho 1 mã ta có 43

= 64 khả năng Ý kiến này được Crik đề xuất và được Nirenberg và Mathei (người Mĩ) thực nghiệm (1964) nhờ sự tổng

hợp được chuỗi poli U, từ khuân mẫu này và các nguyên liệu cần có đã tổng hợp nên một

chuỗi peptide với toàn bộ là Phe-Phe-Phe và bằng phương pháp thế người ta đã tìm được

toàn bộ các mã cho 20 acid amin Ví dụ AUG mã cho Met, UUA mã cho Leu

B ảng 2.2 Bảng mã sinh tổng hợp protein (bảng mã di truyền)

UAU Tyr UAC Tyr UAA

UAG

UGU Cys UGC Cys UGA

CAU His CAC His CAA Glu CAG Glu

CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Arg

AAU Asp AAC Asp AAA Lys AAG Lys

AGU Ser ACC Ser AGA Arg AGG Arg

GAU Asp GAC Asp GAA Glu GAG Glu

GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG Gly

U

C

A

G

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 46

Thứ tự các base trong cấu trúc bậc I quyết định tính đặc trưng sinh học của acid nucleic

chủ yếu cũng tính theo bộ 3 này, hay nói khác đi mã di truyền được ghi dưới dạng những bộ 3 nucleotide Những bộ 3 này gọi là codon (code: mã) Mỗi codon ứng với một acid amin Các codon nằm trên chuỗi nucleotide trong phân tử acid nucleic theo trình tự liên tục không có

ngắt quãng hay gọi là bản mã không có dấu phảy Khi có sự đột biến thì mã di truyền thay đổi gây nên sự biến dị Sự đột biến này có thể một nucleotide mất đi hoặc thêm vào chuỗi làm cho

mã thay đổi dẫn đến sự thay đổi acid amin trong chuỗi peptide

Ý nghĩa quyết định trong 1 mã là 2 base đầu, base cuối có thể thay đổi, nên 1 acid amin

có thể có nhiều mã ( 64 mã) ví dụ AUX: ILue thì AU là quyết định, còn X có thể biến động, xem bảng mã (bảng 2.2)

Về số lượng nucleotide trong chuỗi khá biến động từ 30 đến hàng triệu nucleotid (bản

đồ gen ở người là 30-40.000) nó quyết định độ dài và khối lượng phân tử của acid nucleic

2.4 C ấu trúc bậc II của acid nucleic: Là cách gắn các chuỗi nucleotide với nhau thành

những dạng xoắn kép kiểu xoắn thừng Xoắn kép có thể xuất hiện giữa 2 chuỗi riêng biệt nhưDNA, hoặc trong phạm vi một chuỗi, nếu như dọc theo chuỗi có các base bổ sung nhau tạo được liên kết hydro

C ấu trúc bậc II của DNA:

DNA đầu tiền được tách chiết từ bạch

cầu và tinh dịch cá và được nghiên cứu kỹ bởi

Friedrich Miescher người Đức từ 1869 Có rất

nhiều nghiên cứu về acid nucleic từ khi phát

hiện ra nó, song về cấu trúc của DNA thì mới

được đề cập đến từ 1950

Lu ật Chargaff: Trong phân tử DNA có

Cytosine(C) và Thymine (T), không có Uracil

(U)- Đường pentose là desoxypentose Khi

nghiên cứu hàm lượng các nucleotide trong

DNA Chargaff (1953) đã nhận thấy các base

nitơ có tỉ lệ xác đinh Tính quy luật này gọi là

lu ật Chargaff;

T ổng số gốc A = tổng số gốc T (ΣA=ΣT)

T ổng số gốc G = tổng số gốc C

(ΣG=ΣC)

Có th ể biểu diễn quy luật đó như sau:

Từ đó có thể thấy: Tổng các base purine

T ổng các base có nhóm 6-amin = tổng các

base có nhóm 6-ketone Ngh ĩa là:

Hình 2.6 C ấu trúc của DNA và RNA

Đầu 5'-P Đầu 5'-P

Đầu 3 ’ -OH Đầu 3 ’

-OH

Tuy nhiên, ngoài những base chính, trong một số DNA còn có một lượng nhỏ base nitơmethyl hoá, chúng được tìm thấy trong DNA của virus

Nh ững ý kiến của Watson- Crik: Luật Chargaff cho thấy trong DNA, số Thymine bằng

số Adenine, Guanine bằng Cytosine James Waston và Francis Crick cho rằng Adenine bắt

cặp với Thymine, Guanine với Cytosine Các liên kết hydro được sinh ra giữa các cặp base

đó Kết hợp với ảnh nhiễu xạ rơnghen tinh thể DNA do Rosalin Franklin và Marince Wilkin

nghiên cứu năm 1953, Watson và Crick đã đưa ra mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử

DNA (Hình 2.7) và năm 1962, hai ông đã nhận được giải thưởng Nobel Ý kiến của Watson- Crik thành những nguyên tắc sau:

1 Cấu trúc của DNA là 2 chuỗi xoắn lại kiểu xoắn thừng, hai chuỗi xoắn này đi ngược chiều nhau làm cho nó cuốn chặt với nhau hơn, ít bị ảnh hưởng của môi trường Một chuỗi đi

từ 5/- P đến 3/ - OH và một chuỗi đi từ 3/ - OH đến 5/

- P

Hình 2.7 Mô hình liên k ết hydro trong các cặp base bổ sung của Watson và Crick

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 48

Ngày nay ng ười ta đã phát hiện được một số kiểu xoắn kép của DNA khác với mô hình của Watson Crick (Hình 2.9)

2 Hai chuỗi được củng cố bởi các base hướng vào bên trong của chuỗi và giữa các base

ở hai bên có liên kết hydro xuất hiện để ổn định cấu trúc Liên kết hydro này xuất hiện giữa N

của amin với oxy của ceto của 2 base đối diện và giữa N1 của base này với N1 của base đối

diện Để thoả mãn điều kiện liên kết hydro này thì ở DNA chỉ có các cặp kiềm sau đây:

Adenine của chuỗi này liên kết với Thymine của chuỗi kia và

Guanine của chuỗi này liên kết với Cytosine của chuỗi kia

Hình 2.8 .Ki ểu xoắn kép của DNA

Mô hình xoắn kép phân tử DNA của Wastson và

3 Do cấu trúc của chuỗi xoắn kép có đường kính dọc theo phân tử là đều nhau và bằng khoảng 20 A0

do đó các base nối với nhau một bên là purin thì bên kia phải là pirimidin Các đôi kiềm nối với nhau theo nguyên tắc 2 và 3 gọi là nguyên tắc bổ sung gốc kiềm Nguyên tắc này là nguyên tắc cơ bản của sinh học phân tử nó là nền tảng cấu trúc của DNA

và là nền tảng cho bất kỳ một chuỗi kép nào trong acid nucleic nói chung (như các đoạn xoắn kép trong RNA), nguyên tắc này chi phối các quá trình sinh học chủ chốt nhất như quá trình nhân đôi DNA, quá trình sao chép và phiên dịch mã di truyền

Ngoài liên kết hydro hai chuỗi còn được củng cố bằng các yếu tố khác đó là sự tương tác giữa các lớp base nằm chồng lên nhau như những chồng đồng xu (tạo nên lực Valderval) Theo Watson và Crick, hai chuỗi polynucleotide của phân tử DNA tạo thành cấu trúc

xoắn, cuốn xung quanh một trục Mỗi chu kỳ xoắn có 10 nucleotide Mỗi bước xoắn là 34A°, đường kính 20A° Bộ khung của nó là một chuỗi phosphate-đường Khoảng cách bên trong theo một kích thước nhất định Trong khoảng cách này phân bố các base purine và pyrimidine

để khi bắt cặp thì giữa Adenine và Thymine có 2 liên kết hydro, giữa Guanine và Cytosine có

3 liên kết hydro (hình 2.8)

Khác với kiểu A và B, ở kiểu Z các nguyên tử P sắp xếp trên phân tử theo dạng dích dắc Ngoài ra người ta cũng giả thiết rằng kiểu B thích hợp cho quá trình tự sao chép DNA, còn kiểu A thích hợp cho quá trình sao chép Ngoài các phân tử DNA xoắn kép phổ biến ở tếbào sinh vật, một số virus có cấu tạo DNA sợi đơn (hình 2.9)

D ạng tự nhiên của phân tử DNA: Sợi DNA có thể tồn tại ở các dạng sau:

D ạng xoắn kép sợi thẳng có các đầu 3’ và 5’ tự do Dạng này gặp ở tế bào nhân chuẩn

(Eucaryote), DNA thực khuẩn thể T7

D ạng xoắn kép kín có thể có các kiểu sau:

D ạng xoắn kép 1 sợi như DNA thực khuẩn thể ϕ x174(Virus gây nhiễm ở Ecoli)

D ạng xoắn kép (2sợi): DNA của tế bào nhân xơ DNA của virus động vật như polyoma,

SV40, plasmid, DNA của ty thể, lục lạp Có thể là DNA xoắn kép kín đồng hoá trị(Covalently closed cyclic duplec DNA) Không có đầu 3’ và 5’ tự do, hoặc DNA xoắn kép

mở (open cyclic DNA), 1 trong hai sợi bị đứt 1 liên kết phosphodisete tạo thành đầu 3’ và 5’

tự do (hình 2.10) Dạng xoắn kép kín có thể vặn xoắn lại thành dạng siêu xoắn

Hình 2.10 Các d ạng cấu trúc của phân tử DNA (1) dạng mở, (2) dạng xoắn mở,

(3) d ạng siêu xoắn

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 50

đơn, thực chất DNA là những đại phân tử có khối lượng 2 x109

Ở vi khuẩn, phân tử DNA đơn chiếm khoảng 1% khối lượng của tế bào, tạo thành vùng nhân, nó thường gắn với nếp màng tế bào gọi là mezosome Trong vi khuẩn không có Protein liên kết với DNA

Trong nguyên sinh chất của vi khuẩn, thỉnh thoảng còn tìm thấy phân tử DNA ngoài nhiễm sắc thể, chúng nhỏ hơn nhiếm sắc thể, được gọi là plasmid hay epicom, có liên quan đến sự di truyền của DNA nhiễm sắc thể

Với các tế bào nhân chuẩn lưỡng bội, gần như tất cả DNA ở trong nhân tế bào, nó được liên kết với protein kiềm là histon, nằm rải rác ở nhiễm sắc thể Trong các tế bào nhân chuẩn còn có 1 lượng nhỏ DNA nguyên sinh chất, thường được gọi là DNA thứ yếu, chúng có hợp

chất base và khối lượng phân tử khác với DNA nhân, như DNA trong ty thể chiếm khoảng 0,1-0,2% DNA của toàn tế bào Một số lạp thể của các tế bào thực vật, đặc biệt là các lục lạp

cũng có DNA riêng biệt

B ảng 2.3: Kích thước DNA ở một số vi sinh vật

C ơ thể S ố cặp nucleotide (Kb) Chi ều dài(μm)

760

4000

13-500 2-900 000

1.7 17,0

260,0

1 360,0

56 000,0

990 000,0

2.5 C ấu trúc bậc III và siêu cấu trúc:

Trong nhân tế bào DNA ở các tơ nhiễm sắc, 1 nhiễm sắc thể là 1 chuỗi kép nucleic, do

đó phải có sự xoắn lại của nucleic cho gọn tức là nhiễm sắc thể là xoắn nhiều tầng của chuỗi

xoắn kép Trong nhiễm sắc thể có histon (protein đặc trưng cho nhân) đặc điểm của histon là

kiềm tính, có thể coi histon là một poli cation, bản thân acid nucleic là 1 polianion làm cho histon gắn chặt với acid nucleic, có thể ví histon như lõi cuộn chỉ và DNA như sợi chỉ quấn vào tạo thành nucleoxom

3 Phân lo ại acid nucleic

Dựa vào chức năng và cấu tạo người ta chia acid nucleic thành 2 lớp lớn: DNA và RNA, chúng khác nhau bởi một số điểm sau:

3.1 Thành ph ần cấu tạo: DNA có chứa T và đường desoxyribose, RNA chứa U và

đường ribose Tuy nhiên có một số ít DNA có chứa U và RNA có chứa T

3.2 V ề phân bố: DNA trong tế bào phân bố chủ yếu ở trong nhân, trong nhân TB nó ở

dạng mở tức là chuỗi xoắn kép có hai đầu Một phần rất nhỏ có ở ty lạp thể, ở đây DNA ở

dạng xoắn kép kín tạo thành vòng nhẫn giống như ở VSV Ở VSV đơn bào ngoài chuỗi xoắn

kép DNA chính còn có các chuỗi xoắn kép nhỏ có khối lượng phân tử khoảng 1 triệu dalton,

gọi là thể plasmid đây là yếu tố kháng thuốc, nó có thể di truyền riêng và có thể chui sang tếbào khác kể cả tế bào động vật rồi mở vòng nhẫn gắn vào DNA của tế bào làm tăng gennom, khi ở đó nó có tên là epicom, từ epicom lại có thể tách ra thành plasmid Gần đây gười ta đã phát hiện ra một chủng loại Retravirus (virus hồi qui) nó chính là plasmid tới một lúc nào đó

nó hồi qui thành virus gây ung thư Kỹ thuật gen hiện nay người ta có thể đưa bất kỳ 1 gen nào vào tế bào bằng cách đưa vào plasmid rồi từ plasmid đưa vào DNA của tế bào

RNA chủ yếu là chuỗi đơn (trừ RNA của onconavirut là có xoắn kép) và phân bố chủyếu ở tế bào chất, trong nhân tế bào có m-RNA được hình thành trong quá trình sao chép mã

di truyền rồi từ nhân ra tế bào chất kết hợp với riboxom để tham gia vào quá trình tổng hợp protein

3.3 V ề chức năng: DNA ở các sinh vật là vật chất chứa bản mật mã di truyền, còn

RNA thực hiện việc truyền đạt bản mã di truyền trong quá trình sinh tổng hợp protein Ở một

số loài siêu khuẩn có chứa RNA là bản mã di truyền Luồng thông tin di truyền được Crik đề

ra năm 1967, năm 1970 được Temin bổ sung như sau:

3.4 RNA ở tế bào động vật lại được chia làm 3 loại:

Có 3 loại acid ribonucleic trong các tế bào là RNA thông tin (m-RNA), RNA ribosome (r-RNA) và RNA vận chuyển (t- RNA) Mỗi loại RNA có khối lượng phân tử và tính chất base khác nhau (Bảng 2.4)

B ảng 2.4: Đặc tính của RNA E.coli

Lo ại RNA Hằng số lắng Khối lượng phân tử S ố gốc

lần Các tế bào vi khuẩn, gần như tất cả RNA tìm thấy trong nguyên sinh chất Trong nhân tếbào gan có khoảng 11% tổng số RNA (phần lớn giàu m- RNA), gần 15% trong ribosome (phần lớn RNA) và khoảng 24% trong dịch bào tan (phần lớn t - RNA) RNA có trong cấu tạo

của tất cả các virus thực vật, trong đó virus khảm thuốc lá được biết rõ nhất RNA cũng được tìm thấy trong một virus của vi khuẩn như thực khuẩn thể Qβ của E.coli, và một số virus động vật như poliomyelidis

( Crik, 1967)

(Temin,1970)

Tr ường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hoá Sinh động vật ……… 52

3.4.1 RNA thông tin (m-RNA) ( Messenger - RNA): Tỷ lệ loại này chiếm 2-3% trong

tế bào Nó được tổng hợp trong nhân tế bào với tư cách là những bản sao chép bản mã di truyền gốc là DNA tức là chuỗi phân bố 4 gốc kiềm trong m-RNA lặp lại một cách chính xác chuỗi phân bố 4 gốc kiềm trong DNA đối xứng đứng ra làm khuân mẫu, chỉ khác là T trong DNA được thay bằng U trong m-RNA

Về cấu trúc của m-RNA khi mới được tổng hợp có cấu trúc như sau:

Liên k ết pyrophosphate

L ớp 2 methyl hoá thỉnh tho ảng bị methyl hoá)

7 - Methyl -Guanine

Cap 0 methyl hoá

Hình 2.11 7-MethylGuanine ở đầu mũ 5’ tìm thấy ở hầu hết các m-RNA ở các sinh vật

nhân chu ẩn

3.4.2 RNA ribosome (r-RNA)

r-RNA chiếm khoảng 65% trong riboxom và 80% tổng số RNA của tế bào Có thể tách chiết r-RNA từ ribosome của E.coli bằng phenol, nó có dạng thẳng và phân tử sợi đơn, có 3

loại với hằng số lắng: 23s, 16s và 5s Chức phận của chúng trong ribosome chưa rõ ràng, có thể chúng có vai trò cấu trúc là thành viên cấu tạo nên riboxom - một chiếc "máy' trong quá trình tổng hợp protein Chúng có 4 loại Base chính là A,G,C và U Một vài base bị methyl hoá

Ở tế bào nhân chuẩn, trong ribosome có 4 loại r-RNA: 18s, 28s, 5.8s, và 5s r-RNA của các Ribosome trong ty thể, lục lạp khác với r-RNA của Ribosome trong tế bào chất

3.4.3 RNA v ận chuyển (t-RNA) (trans RNA) còn gọi là s-RNA (RNA hoà tan): trong tế

bào t-RNA chiếm khoảng 20% tổng số RNA, có vai trò vận chuyển có chọn lọc các acid amin

đã được họat hoá tới khu vực sinh tổng hợp protein và định vị trí cho các acid amin trong chuỗi polypeptide thông qua phần anti codon (codon đối mã) trong cấu trúc của nó

Khối lượng phân tử của t-RNA từ 23.000-30.000, hằng số lắng từ 4s -63s, có 75 đến 90 nucleotide Mỗi một loại acid amin trong phân tử protein có ít nhất 1 t-RNA tương ứng vận chuyển nó, một số acid amin có nhiều t-RNA, thí dụ: Leucine, Serine trong E.coli có 5 phân

tử t-RNA t-RNA có thể tìm thấy ở dạng tự do hay “liên kết” với acid amin tương ứng Dạng liên kết của t-RNA là do nhóm carboxyl của acid amin được ester hoá với nhóm 2’-OH hoặc 3’-OH của gốc acid adenilic cuối cùng ở đầu cuối 3’ của chuỗi polynucleotide của t-RNA t-RNA có nhiều base “thiểu số”, chiếm khoảng 10% Các base này là những dạng được methyl hoá hoặc những dẫn suất của chúng Trong t-RNA còn có những mononucleotide không bình thường như acid pseudouridilic và ribothymidilic Acid pseudouridilic có liên kết glycoside ở vị trí 5 của Uridine, khác với vị trí 1 như thông thường Acid ribothymidilic cũng không bình thường, vì thông thường thymine có trong DNA