Chương 6 NUCLEOPROTEIN VÀ ACID NUCLEIC

MUÏC TIEÂU 1. Vieát ñöôïc sô ñoà thuûy phaân cuûa nucleoprotein. 2. Vieát ñöôïc coâng thöùc cuûa nucleotid nhaân Pyrimidin vaø Purin coù trong ARN vaø ADN. 3. Phaân bieät ñöôïc caùc lieân keát trong nucleosid, nucleotid, nucleosid di vaø triphosphat. 4. Neâu ñöôïc vai troø nucleotid 5. Neâu ñöôïc caáu truùc DNA vaø RNA 6. Bieát ñöôïc caùc chaát coù caáu taïo töông töï nucleotid duøng trong hoùa trò lieäu 1. ÑAÏI CÖÔNG Nucleoprotein thuoäc loaïi protein phöùc taïp maø thaønh phaàn caáu taïo goàm moät nhoùm ngoaïi khoâng phaûi laø protein (goïi laø acid nucleic) gaén vôùi moät hay nhieàu phaân töû protein ñôn giaûn (thöôøng laø protein kieàm nhö protamin hoaëc histon). Nucleoprotein = protein + nhoùm ngoaïi (acid nucleic) Taát caû moïi teá baøo soáng ñeàu chöùa nucleoprotein vaø nhöõng heä thoáng ñôn giaûn nhö virus (sieâu vi truøng) coù thaønh phaàn caáu taïo hoaøn toaøn laø nucleoprotein. Chaát nhieãm saéc (cromatin), moät thaønh phaàn quan troïng nhaát cuûa teá baøo cuõng hoaøn toaøn goàm nucleoprotein.

CHƯƠNG 6

NUCLEOPROTEIN VÀ ACID NUCLEIC

MỤC TIÊU

1 Viết được sơ đồ thủy phân của nucleoprotein

2 Viết được công thức của nucleotid nhân Pyrimidin và Purin có trong ARN và ADN

3 Phân biệt được các liên kết trong nucleosid, nucleotid, nucleosid di và triphosphat

4 Nêu được vai trò nucleotid

5 Nêu được cấu trúc DNA và RNA

6 Biết được các chất có cấu tạo tương tự nucleotid dùng trong hóa trị liệu

1 ĐẠI CƯƠNG

Nucleoprotein thuộc loại protein phức tạp mà thành phần cấu tạo gồm một nhóm ngoại

không phải là protein (gọi là acid nucleic) gắn với một hay nhiều phân tử protein đơn giản (thường là protein kiềm như protamin hoặc histon).

Nucleoprotein = protein + nhóm ngoại (acid nucleic)

Tất cả mọi tế bào sống đều chứa nucleoprotein và những hệ thống đơn giản như virus (siêu

vi trùng) có thành phần cấu tạo hoàn toàn là nucleoprotein Chất nhiễm sắc (cromatin), một thành phần quan trọng nhất của tế bào cũng hoàn toàn gồm nucleoprotein

Nucleoprotein

(histon hoặc protamin) (Polynucleotic)

Ribonuclease Desoxyribonuclease

Mononucleotid

Mononucleotidase

Base ose (Đường) (Purin hoặc Pyrimidin) (Ribose hoặc Desoxyribose)

Hình 6.1 Sơ đồ thủy phân nucleoprotein

2 ACID NUCLEIC

Người ta phân biệt 2 loại acid nucleic khác nhau tùy theo thành phần cấu tạo của ose trong phân tử acid nucleic:

- Acid ribonucleic (ARN) nếu ose là ribose và

- Acid desoxyribonucleic (ADN) nếu ose là desoxyribose

ARN và ADN có ở tất cả các tế bào, ADN tập trung chủ yếu ở nhân, ARN có nhiều trong tế bào chất và một phần trong nhân Hiện nay vai trò sinh học của acid nucleic đang được nhiều người chú ý nghiên cứu và thấy ADN mang tính chất di truyền ARN tham gia vào sự tổng hợp protein Trong tế bào, acid nucleic không ở dạng tự do mà kết hợp với protein

2.1 Thành phần cấu tạo của acid nucleic

- Acid nucleic là những chất trùng hợp từ những đơn vị có tên là nucleotid, do đó acid nucleic còn được gọi là polynucleotid.

- Nucleotid này khác với những đơn phân tử tạo thành những đại phân tử mà chúng ta vừa học qua (glucoe của tinh bột hoặc của glycogen, amino acid của protein) là chúng có thể thủy phân

thành 3 cấu tử: base dị vòng có nitơ, pentose và acid phosphoric.

Cũng nên nhắc lại ở đây là những nucleotid không những chỉ là những hợp chất trùng hợp của acid nucleic, mà còn là những chất giử vai trò quan trọng trong sự biến dưởng trung gian, thí dụ như tích trử năng lượng (ATP) hay là những coenzym (NAD+, NADP+, FAD, Coenzym A)

2.1.1 Pentose

- Trong ARN ose là β-D-Ribose và trong ADN ose là β-2-desoxy D-Ribose

Hình 6.2 đường Ribose

2.1.2 Base có nitơ

Nhũng base có nitơ của acid nucleic thuộc loại hợp chất dị vòng pyrimidin và purin, trong đó một hay nhiều nguyên tử hydrogen được thay thế bởi những gốc hydroxyl, amin hay metyl

N N

N NH

Purin

1

2 3 4

5

6 7

8

9

N N

Pyrimidin

6 5

4 3

2 1

OH

O

CH2OH OH

O

CH2OH

OH

b 2 _deoxy D_Ribose D_Ribose

b

Hình 6.3 Nhân Pyrimidin và purin

2.1.2.1 Base có nitơ có nhân pyrimidin

Có 3 loại base có nhân pyrimidin là cytosin, uracil và thymin

Trong ARN có cytosin và uracil, trong ADN có cytosin và thymin

Hình 6.4 Các base nitơ nhân pyrimidin

2.1.2.2. Base có nitơ có nhân purin

Purin do kết hợp 2 nhân: pyrimidin và imidazol Hai base chính tìm thấy trong ARN và ADN là: Adenin và Guanin

Hình 6.5 Các base nitơ nhân pyrimidin

Ngoài 2 thành phần khác nhau căn bản về Ribose và desoxyribose của ARN và ADN, người ta còn thấy sự khác nhau về thành phần của base pyrimidin giửa ARN và ADN

- ARN chỉ có Uracil, không có Thymin

- ADN chỉ có Thymin, không có Uracil

* Hổ biến các base

Cấu trúc của các base chứa oxy ở những công thức trên dưới dạng ceto (hoặc lactam) Đó là dạng chung ở pH sinh lý: nhưng nó còn ở 1 dạng cân bằng giửa dạng ceto và enol (lactim) như sau:

N

H

N O

N

H2

N

OH

N

H2 Guanin

Dạng ceto (Lactam) Dạng enol (Lactim)

Cytosin

O

N NH

NH 2

2 _oxy _amino pyrimidin 4

Uracyl

N NH

H

O O

2,4_dioxy pyrimidin

N NH

H

O

O

CH 3

Thymin

_metyl uracyl 5

Adenin

N N

N NH

NH 2

Guanin

O

N N

N NH

H 2 N

_oxy

purin _amino 6

H

NH

O

O

N N

OH

OH Uracil

2.1.3 Nucleosid

Nucleosid là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của acid nucleic Nucleosid gồm 2

thành phần: base purin hay pyrimidin và pentose Liên kết này nối nitơ số 9 của base purin hoặc nitơ số 1 của base pyrimidin với carbon số 1 của pentose, vôùi sự loại ra 1 phân tử nước Pentose

dưới dạng furanose và liên kết osidic dưới dạng β.

- Với Ribose người ta có Ribonucleosid (hoặc Ribosid)

- Với Desoxyribose người ta có Desoxyribonucleosid (hoặc Desoxyribosid)

* Cách gọi tên

Nucleosid có nhân pyrimidin mang tên tận cùng là idin.

Nucleosid có nhân purin mang tên tận cùng là osin.

Bảng 1: Cách gọi tên nucleosid

Pyrimidin Uracyl Uridin

2.1.4 Nucleotid (Mononucleotid hay nucleosidmonophosphat)

Mononucleotid là đơn vị cơ sở của acid nucleic

Mononucleotid được tạo thành khi chức alcol của pentose được ester hóa bởi acid

phosphoric (H 3 PO 4 )

Thủy giải H+ yếu

Mononucleotid Base + Pentose - Phosphat

Thủy giải OH- yếu

Base – Pentose (Nucleosid) + Phosphat

Mỗi ribonucleosid có 3 vị trí có thể phosphoryl hóa (OH ở carbon số 2’, 3’, 5’) Còn Desoxyribonucleosid chỉ có thể phosphoryl hóa ở C3’ và C5’ Ngoài ra còn có nucleotid vòng khi

H 3 PO 4 ester hóa 2 nhóm OH của pentose cùng 1 lúc (OH ở 2’ và 3’ hoặc ở 3’ và 5’) Quan trọng

nhất là AMP vòng tham gia vào nhiều cơ chế khác nhau của sự biến dưởng.

Hình 6.6 Cấu trúc của nucleotid

Hình 6.7 cAMP

Danh pháp: Tùy theo thành phần base nitơ mà gọi tên

Bảng 6.2 Danh pháp nucleosid và nucleotid monophosphat

BASE NUCLEOSID NUCLEOTID

Purin Adenin Adenosin Adenosinmonophosphat (AMP)

Guanin Guanosin Guanosinmonophosphat (GMP) Cytosin Cytidin Cytidinmonophosphat (CMP) Pyrimidin Uracyl Uridin Uridinmonophosphat (UMP)

Thymin Thymin Thymidinmonophosphat (TMP)

2.1.5 Nucleosid di và triphosphat

Nhiều tổ chức động vật còn có các nucleosid di và triphosphat (thường là những ribonucleosid 5’ di và triphosphat)

O

OH

O

OH

_ O P O O _

N N

N N

NH2

AMP

O

H

O

OH

_ O P O O _

N N

N N

NH2

dAMP

O

O

P O O

_

9

N N

N N

NH 2

CH2

O

OH

cAMP

Một gốc phosphat thứ hai có thể gắn lên gốc phosphat thứ nhất của nucleosid 5’-monophosphat tạo thành nucleosid 5’diphosphat, 1 gốc phosphat thứ ba có thể kết hợp với nhóm phosphat thứ hai để tạo thành nucleosid 5’-triphosphat

Những nucleosid di và triphosphat tham gia phần quan trọng trong chuyển hóa các chất ở

cơ thể và quá trình trao đổi năng lượng như adenosin di và triphosphat.

Hình 6.8 ADP, ATP

2.1.6 Chức năng sinh học của Nucleotid

Nucleotid tham gia vào nhiều phản ứng hay các quá trình sinh học như tổng hợp protein, tổng hợp acid nucleic, cơ chế điều hòa và truyền thông tin Những chức năng sinh học khác nhau của nucleotid như: là chất dự trữ và vận chuyển năng lượng, là coenzym, là chất truyền thông tin thứ hai Các nucleotid đóng vai trò sinh học trong cơ thể như: ATP, GTP, UDP, CTP, AMPc, GMPc, adenosin 3’-phosphat-5’-phosphosulphat, S-adenosylmethionin, các coenzym là dẫn chất của adenosin monophosphat…

ATP

Đóng vai trò dự trữ và vận chuyển năng lượng ATP là nguồn năng lượng chủ yếu cho phần lớn các phản ứng trong tế bào

GTP

GTP là nguồn năng lượng cho quá trình tổng hợp protein

UDP, UTP

Có vai trò quan trọng trong chuyển hóa glucid Đặc biệt là trong các phản ứng epime hóa, trong tổng hợp glycogen, tổng hợp galactose, trong tổng hợp oligosaccarid của glycoprotein và proteoglycan UDP-glucuronic tham gia trong phản ứng liên hợp glucuronic của bilirubin và một số thuốc như aspirin

CTP

Adenin

5'_monophosphat

Adenosin _diphosphat 5' (ADP)

_triphosphat

Ribose

O P

O O _

O _ O P

O HO

O P

O O _

Liên kết este

Liên kết anhydric

9

O

OH OH

N N

N N

NH2

CH2

Tham gia trong tổng hợp phosphoglycerid, sphingomyelin, sphingosin.

AMPc, GMPc

AMPc là chất truyền thông tin thứ hai Trong quá trình giãn cơ trơn, GMPc là chất truyền thông tin thứ hai đáp ứng lại NO

Adenosin 3’-phosphat-5’phosphosulphat

Là chất chuyển gốc sulfat trong tổng hợp proteoglycan, trong phản ứng liên hợp sulfat với thuốc

S-adenosylmethionin

Là chất vận chuyển gốc methyl trong phản ứng methyl hóa (ví dụ trong chuyển hóa lipid)

Coenzym

Nhiều coenzym là dẫn chất của adenosin monophosphat được trình bày trong bảng sau:

Hình 6.9 Công thức chung của một số coenzym

Bảng 6.3 Cấu tạo của một số coenzym

2.1.7 Các chất tổng hợp có cấu tạo tương tự nucleotid được dùng trong hóa trị liệu.

Các chất tổng hợp 'tương tự’giống nhân purin, nhân pyrimidin, nucleosid, nucleotid bằng cách thay đổi trên nhân dị vòng hay trên phần đường được dùng rất nhiều trong điều trị y học Tác

R

O P

O O _ O

R" R'

9

N N

N N

NH2

CH2

O

O O n

Adenin

Adenin Ribose OP O

P

O

SO23

Adenosin _phosphat _phosphosulfat 3 ' 5 '

dụng chủ yếu của nó là ức chế các enzym trong quá trình tổng hợp acid nucleic hay tham gia trực tiếp vào quá trình tổng hợp nucleic và làm phá vỡ cấu trúc DNA

Trong điều trị ung thư người ta sử dụng nhiều các chất ‘tương tự’ tham gia trực tiếp vào quá trình tổng hợp DNA khi tế bào phân chia như: 5-fluoro hay 5-iodouracil, 3-deoxyuridin, thioguanin, 6-mercaptopurin, 5- hay 6-azauridin, 5- hay 6-azacytidin, 8-azaguanin … Azathioprin mà chất chuyển hóa của nó là 6-mercaptopurin được dùng như thuốc chống thải ghép trong ghép cơ quan

Hình 6.10 Các chất tổng hợp tương tự nucleotid dùng trong trị liệu

2.2 Cấu trúc của acid nucleic

2.2.1 Cấu trúc của ADN

Như trên đã nói, ADN tập trung chủ yếu ở các nhân tế bào, cấu tạo nên các gen Cho nên

sự hiểu biết đầy đủ về cấu trúc và tính chất của nó sẽ giúp ta hiểu rõ cơ chế của sự di truyền.

- Về mặt cấu tạo hóa học, acid nucleic gồm rất nhiều mononucleotid trùng hợp với nhau tạo

thành chuổi polynucleotid

* ADN có phân tử lượng từ 4.000.000 tới 8x10 6 và gồm khoảng từ 12.000 đến 25.000

mononucleotid khác nhau Bằng tác dụng thủy phân bởi các enzym, người ta đã xác định được cách liên kết giửa các mononucleotid trong phân tử ADN là liên kết 3’-5’ phosphodiester Hay nói cách

khác, mỗi nhóm phosphat (trừ nhóm phosphat ở cuối dây) được ester hóa bởi nhóm hydroxyl ở C3

của 1 pentose và 1 nhóm hydroxyl ở vị trí C5 của pentose kế

O

O

HN NH

F

_Fluorouracil

5

N N

N N N

OH

Alloburinol

O

N N

N

N

NH

H2N

_Azaguanin

8

H 2 N

N N

N NH

SH

_Thioguanin

6

N

N

N NH

SH

_Mercaptopurin

6

N

N

N

H

O O

O

OH

HO

OH

_Azauridin

6

I

5 _Iodo_ _deoxyuridin 2 '

N N

H

O

O

O

OH HO

OH

Hình 6.11 Liên kết giửa các mononucleotid trong phân tử ADN

* Nhờ những kết quả nói trên, Watson và Crick (1953) đã đề nghị một mẫu phân tử ADN như sau:

- Một đơn vị cấu trúc của ADN bao gồm 2 chuổi polynucleotid xoắn chung quanh một trục chung theo 2 hướng ngược nhau

- Hai chuổi polynucleotid nối với nhau bởi những liên kết hydro tạo giửa 2 base.

- Những nucleotid trong mô hình này sắp xếp thẳng góc với trục và cách nhau từng khoảng 3,4 Ao Hai sợi ở 2 bên song song với trục là những phân tử desoxyribose và acid phosphoric nối

tiếp nhau

- Khoảng cách từ nguyên tử phospho tới trục là 10Ao, như vậy chiều rộng của toàn bộ sợi ADN là 20 Ao

9

N N

N N

NH 2

CH2

O

H

O

P O HO

O

O

P O HO

O

CH2

H

HN N

N N O

O

H 2 N

CH2

H

O

HN N

O

O

CH 3

O

P O HO

R1

P O HO

O

R2

Adenin

Guanin

Thymin

Nhờ những kết quả thực nghiệm bằng vật lý và hóa học người ta đã xác định được vị trí của các cấu tử khác nhau trong phân tử ADN

- Các base hướng vào trong các sợi ADN, các gốc phosphat ở ngoài

- Những cầu hydro nối các base purin và pyrimidin ở 2 dây với nhau theo nguyên lý bổ sung như sau: A nối với T; G nối với C

[Sự đặc hiệu này là do bảo vệ khoảng cách hằng định 11Ao giửa các pentose nằm đối nhau của các nucleotid]

Hình 6.12 Liên kết hydro giửa 2 cặp base bổ sung của 1 đoạn ADN

Nhờ kết quả nghiên cứu của Chargaff và Bielozecki, người ta thấy có một qui luật chung tỷ

lệ các base purin và pyrimidin trong cấu tạo của ADN như sau:

- Tổng số các base purin = pyrimidin

purin/pyrimidin = 1

- Lượng Adenin = Thymin; A/T = 1

- Lượng Guanin = Cytosin; G/C = 1 A + G = C + T

Tổng lượng Guanin + Thymin = Tổng lượng Adenin + Cytosin

(G + T)/(A + C) = 1 ADN của các cơ quan động vật khác nhau khác về thành phần hóa học Có trường hợp Adenin nhiều hơn Guanin hay Thymin nhiều hơn Cytosin Kết quả là tổng số Adenin + Thymin cao hơn tổng số Guanin + Cytosin; A + T > G + C Những ADN thuộc loại này gọi là ADN loại

AT.

Có những ADN khác, tổng số G + C > A + T ADN thuộc loại này gọi là ADN loại GC

ADN loại GC thường thấy ở vi sinh vật, nhất là vi khuẩn vàkhông thấy ở động vật cấp cao

P O HO

O

R2

CH2

O

H

HN N

O

O

CH3

O

P O

HO

R1

O O O

P HO

H

O

N N

CH2

O

N H

H

N N

N N

N H

O

HN N

N N

N H H

CH2

O

CH2

O

O

P O O OH

Như vậy tỷ lệ (A + T)/(G + C) thay đổi và có hàm lượng khác nhau, lệ thuộc vào loài; ở vi trùng lao của chim tỷ số này là 0,42 và ở người là 1,53

Tỷ lệ (A+T)/(G+C) > 1 → ĐV + TV

(A+T)/(G+C) < 1 → vi khuẩn

2.2.2 Cấu trúc của ARN

So với ADN, ARN có phân tử lượng nhỏ hơn vào khoảng 18.000 - 35.000, có khi tới

1.500.000 - 2.000.000 và gồm 4.000 - 6.000 mononucleotid khác nhau

Cấu trúc của ARN cũng tương tự như cấu trúc của ADN chỉ khác nhau ở mấy điểm:

- Về thành phần hóa học thì ribose thay thế desoxyribose, uracil thay thế thymin

- Trong ARN ngoài liên kết 3’-5’ phosphodiester giửa các mononucleotid nối với nhau là chủ yếu thì còn có thể có liên kết 2’-3’phosphodiester (hoặc mạch nhánh) theo sơ đồ sau:

Base

C

C

C

C

C

Base

C

C

C

C

C

Base C C C C C

3'

P

P P P

3'

3'

3'

5'

5' 2'

P

Phân tử ARN gồm một sợi polynucleotid trong đó có những đoạn của sợi gần nhau có thể

liên kết với nhau theo định luật đôi base bổ sung: A - U và G - C để tạo ra cấu trúc xoắn

Cá biệt cũng có khi ARN có 2 sợi polynucleotid xoắn nhau lại.

C

G U C

C G

C G A

U C U A U

C G

5'

3'

Cuộn

Tay

Hình 6.13 một RNA gập đôi

Mỗi tế bào sống, động vật, thực vật cũng như vi khuẩn đều chứa 3 loại ARN: ARN ribosom

(ARN r ); ARN vận chuyển (ARN hòa tan ARN t ) và ARN thông tin (ARN m ).

- RNAr (Ribosomal RNA)

Chiếm 80% tổng số RNA, có vai trò như nhà máy tổng hợp protein RNAr là một nucleoprotein có hai tiểu đơn vị, tiểu đơn vị lớn là 60s và tiểu đơn vị nhỏ 40s Tiểu đơn vị 60s có cấu tạo gồm RNAr 5S, RNAr 5.8S, RNAr 28S và khoảng 50 chuỗi polypeptid Tiểu đơn vị nhỏ cấu tạo gồm RNAr 18S và gần 30 chuỗi polypeptid

- RNAt (transfer RNA)

Là RNA vận chuyển có chiều dài thay đổi từ 74-95 nucleotid và chiếm khoảng 10% tổng số RNA Có vai trò dịch mã thông tin của đoạn nucleotid RNAm ra acid amin Có ít nhất 20 loại RNAt cho 20 lại acid amin Cấu tạo của các RNAt khác nhau ở trình tự đoạn polynucleotid nhưng tất cả RNAt có cấu tạo chung là cấu trúc bậc I (trình tự đoạn polynucleotid) cho phép nó gập lại được và tự kết hợp base nội phân tử tạo ra một cấu trúc bậc II có dạng lá chẻ 3 Tất cả RNAt đều có 4 nhánh chính

- Nhánh tiếp nhận có đầu tận cùng kết thúc bằng nhóm CpCpAOH Nhóm –COOH của acid amin gắn vào nhóm 3’-OH của Adenin

- Nhánh đối mã có mang 3 nucleotid đối mã

- Nhánh D, T ψ C và nhánh phụ giúp phân biệt các RNAt

Hình 6.14 RNA vận chuyển

- RNAm (Messenger RNA)

C

U A A

U

C

G

G

C C

C U

C A

G G

G G G

U C

G

G C U

C

G A G

C A

G G

C

C C C C

C U U U

G

G G G

G A

C G

G C

A

G D

5'

3'

Nhánh đối mã

Nhánh nhận acid amin

Ψ

Nhánh D

Nhánh