Chuong 4 acid nucleic

Ở các phần uốn cong, gấp khúc mà hai đoạn đối diện nhau có các cặp base bổ sung tương ứng sẽ có thể tạo thành các liên kết hydrogen, làm bền cấu trúc này  Cấu trúc xoắn kép ADN –mô hìn

CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

CỦA ACID NUCLEIC

Giảng viên: Đái Thi Xuân Trang

KHÁI QUÁT VỀ HAI LOẠI ACID NUCLEIC

 Polymer của các nucleotide liên kết bằng liên kết

a) Thành phần cấu tạo

 Đường pentose: ARN là ribose, còn ADN là deoxyribose

Deoxyribose không có nhóm –OH ở C2’ nên tránh được phản ứng thủy phân liên kết phosphodiester theo kiểu xúc tác base Do đó, ADN được bền vững hơn ARN, bảo đảm chức năng bảo tồn thông tin trong thời gian dài

 Base nitơ phổ biến của ARN là adenin (A), guanine (G), cytosine (C), uracine (U), rất hiếm khi có thymine (T),

ngoài ra cũng có dẫn xuất (thường là methyl hóa) của các base này Base nitrogen ADN là A, G, C, T

b) Cấu trúc không gian

 ARN là một chuỗi polynucleotide không phân nhánh, các

ARN có dạng không gian khác nhau, từng phần của chuỗi

này có thể uốn cong, gấp khúc Ở các phần uốn cong, gấp khúc mà hai đoạn đối diện nhau có các cặp base bổ sung

tương ứng sẽ có thể tạo thành các liên kết hydrogen, làm bền cấu trúc này

 Cấu trúc xoắn kép ADN –mô hình Watson-Crick (kiểu B-ADN- B

 Một số kiểu xoắn kép khác như kiểu A A), kiểu Z Z)

(ADN- Độ ẩm tương đối và một số yếu tố khác như nồng độ muối, trình tự base cục bộ có ảnh hưởng đến kiếu xoắn của ADN

b) Cấu trúc không gian

 ARN là một chuỗi polynucleotide không phân nhánh, các

ARN có dạng không gian khác nhau, từng phần của chuỗi

này có thể uốn cong, gấp khúc Ở các phần uốn cong, gấp khúc mà hai đoạn đối diện nhau có các cặp base bổ sung

tương ứng sẽ có thể tạo thành các liên kết hydrogen, làm bền cấu trúc này

 Cấu trúc xoắn kép ADN –mô hình Watson-Crick (kiểu B-ADN- B

 Một số kiểu xoắn kép khác như kiểu A A), kiểu Z Z)

(ADN- Độ ẩm tương đối và một số yếu tố khác như nồng độ muối, trình tự base cục bộ có ảnh hưởng đến kiếu xoắn của ADN

b) Chức năng sinh học

 ADN chứa thông tin di truyền, có hai chức năng là

 Tự nhân đôi trong quá trình phân bào

 Là khuôn để tạo các bản phiên mã khác nhau, các ARN

 ARN có các chức năng khá đa dạng

 Làm trung gian trong dòng thông tin di truyền

 Có vai trò cấu trúc, là nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein

(ARNr)

 Vận chuyển acid amin đến ribosome (ARNt)

 Tham gia vào quá trình cải biến sau phiên mã (ribonucleoprotein)

 Tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động của gen

 Ở nhiều virus ARN là chất mang thông tin di truyền

I THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTIDE

VÀ ACID NUCLEIC

 Nucleotide-5’-monophosphate hay 5’-nucleotide, gồm

 1 gốc β -pentose furanose

 1 gốc phosphate

 N-9 của purine hoặc N-1 của pyrimidine kết hợp với C-1’ của β

-pentose furanose qua liên kết N-glycoside → nucleoside

 Nguồn cung cấp, dự trữ năng lượng cho nhiều quá trình

trao đổi chất

 Là thành phần của nhiều CoE quan trọng

 Các nucleotide vòng có vai trò điều hòa hoạt động của E

1 Acid phosphoric

 H3PO4 tạo nên tính acid

 Hiện diện trong cả ADN và ARN

2 Base nitrogen (base nitơ)

 Là dẫn xuất của purine (Adenin, Guanine) hoặc pyrimidine (Cytosine, Uracine, Thymidine)

 Một số base nitrogen khác ít gặp hơn

Một số base nitrogen ít gặp

Các vị trí có thể kết hợp của gốc phosphate trong base nitrogen

3 Pentose

 Pentose trong phân tử acid nucleic ở dạng β-D-furanose

 ADN: 2-deoxyribose

 ARN: ribose

4 Cách liên kết giữa các thành phần cấu tạo của mononucleotide

4 Cách liên kết giữa các thành phần cấu tạo của mononucleotide

5 Chức năng chính của các nucleotide

 Là monomer cấu tạo nên các phân tử acid nucleic

 Một số nucleotide tham gia cấu tạo các coenzyme quan trọng như: coenzyme, NAD+ , NADP+

6 Chức năng chính của các nucleotide

 Nucleotide (đặc biệt là adenosine 5’-triphosphate) có vai trò dự trữ và vận chuyển năng lượng hóa học

7 Liên kết phosphodiester giữa các nucleotide

 Các gốc mononucleotide trong chuỗi polynucleotide kết hợp với nhau qua liên kết phosphodiester

 Liên kết này được tạo thành giữa gốc phosphate của một

mononucleotide với nhóm –OH pentose của mononucleotide

kế tiếp

 Các nhóm –OH ở C-3’ và C-5’ của các pentose tham gia

trong liên kết phosphodiester → polynucleotide thường có tính phân cực → đầu 5’ thường có gốc phosphate và đầu 3’ thường có –OH tự do

Cấu trúc của một đoạn deoxyoligonucleotide và ribonucleotide

II Cấu trúc của acid deoxyribonucleic

 ADN là polydeoxyribonucleoside monophosphate, đơn vị cấu trúc cơ sở của ADN là deoxyribonucleoside monophosphate (dNMP), 4 loại A, T, G, C

 Đường pentose của ADN là deoxyribose

 Các thành phần cấu tạo của nucleotide như đường pentose, base nitrogen có thể tồn tại ở một số dạng không gian khác nhau

a) Đường pentose trong phân tử ADN

 Đường deoxyribose trong ADN không có nhóm –OH ở C-2’

mà được thay thế bằng H → tránh được phản ứng xúc tác- base thủy phân liên kết phosphodiester

b) Các base nitrogen

 Quy luật Chargaff: A = T, G = C → (A+T)/(G+C) = 1

 Dạng không gian của các gốc base ntrogen: gốc base

nitrogen có thể quay xung quanh liên kết C-1’-N glycosyl tạo thành nhiều dạng không gian khác nhau

c) Khung phosphate-đường

 Về lý thuyết, có thể có các gốc quay tự do xung quanh liên kết cộng hóa trị giữa gốc đường và gốc phosphate

 Nghiên cứu tinh thể nhiều nucleotide cho thấy các gốc quay

bị hạn chế rất nhiều do có các gốc tương tác phi cộng hóa trị giữa vòng ribose và gốc phosphate, sự hạn chế này còn tăng lên trong chuỗi polynucleotide

d) Cấu trúc xoắn kép của ADN

(1) Tính đối song song (antiparalell)

 Tính đối song song (antiparalell): hai chuỗi polynucleotide với cực trái ngược nhau, xoắn gần như song song quanh một trục tưởng tượng chung, tương tự như một cầu thang xoắn ốc

 Chiều xoắn phải

 Liên kết hydrogen

 Các gốc base quay vào phía trong của xoắn ốc, khung

phosphate deoxyribose quay ra ngoài → tránh được lực đẩy giữa các nhóm phosphate tích điện âm

 Các mặt phẳng của các gốc base vuông góc với trục xoắn,

xếp song song

d) Cấu trúc xoắn kép của ADN

(1) Tính đối song song (antiparalell)

 Chiều cao của mỗi vòng xoắn khoảng 34 Å, gồm khoảng 10

“bậc thang”, mỗi vòng xoắn bao gồm khoảng 10 nucleotide, trên mỗi chuỗi, chiều cao của một gốc base là 3,4Å trên trục xoắn, và lệch một góc 36° Đường kính xoắn là 20Å

d) Cấu trúc xoắn kép của ADN

(2) Nguyên tắc tạo thành cặp đôi base bổ sung

 Hai chuỗi polynucleotide của ADN gắn với nhau qua liên kết hydrogen hình thành giữa các cặp base ở vị trí đối diện nhau theo nguyên tắc bổ sung

e) Các kiểu xoắn kép khác

Đặc tính của các kiểu xoắn kép ADN-B, ADN-A, ADN-Z

Chiều xoắn Phải Phải Trái

Đường kính của xoắn ∼ 20 ∼ 26 ∼ 18

Số cặp base trong 1

vòng xoắn 10,5(10) 11(11,6) 12

Chiều cao của một cặp

base trên trục xoắn

3,4 2,9(2,6) 3,7

Dạng không gian của

đường C-2’ endo C-3’ endo C-2’ endo đối với pyrimidine, C-3’ đối với

purine Dạng không gian liên

kết glycosyl Anti Anti Anti đối với pyrimidine, syn đối với purine

Tóm tắt các tương tác làm bền cấu trúc acid nucleic

 Chuỗi phosphate-đường: sự định hướng góc quay xung

quanh liên kết glycoside xác định vị trí tương đối của gốc

base với đường, sự giới hạn các góc quay trong chuỗi

phosphate-đường có vai trò giữ cấu trúc lập thể của acid

nucleic

 Tương tác bổ sung hình học và điện của các cặp base

 Tương tác kỵ nước giữa các gốc base

 Tương tác tĩnh điện giữa các gốc phosphate tích điện

 Liên kết hydrogen

f) Kích thước phân tử ADN

 1 µm chiều dài của phân tử ADN có khối lượng phân tử là 2 megadalton và có chứa 3 kb (1 kb = 1.000 cặp base, 660 dalton)

2 Cấu trúc và chức năng của ARN

2 Cấu trúc và chức năng của ARN

a) Đặc điểm chung

Chức năng của ARN khá đa dạng

 Làm trung gian cho quá trình truyền thông tin di truyền từ ADN đến protein

 Xúc tác cho việc cắt các liên kết phosphodiester của acid nucleic

2 Cấu trúc và chức năng của ARN

b) Các loại ARN

(1) ARN thông tin, ARNm

 ARNm có kích thước khác nhau, thời gian ngắn, bị phân giải ngay sau khi dịch mã

 Chiều dài trung bình của ARNm khoảng 1,2 kb

 Ở tế bào nhân thực còn có thêm “mũ” nucleotide ở đầu 5’ và đuôi poly A ở đầu 3’

2 Cấu trúc và chức năng của ARN

2 Cấu trúc và chức năng của ARN

b) Các loại ARN

(3) ARN vận chuyển (ARNt)

 Có kích thước tương đối bé (70-90 nucleotide)

 Có dạng hình lá, 3 thùy chính và 1 thùy nhỏ có thể thay đổi

 Các thùy thường có các base nitrogen không bình

thường (base nitrogen lạ): dihydrouridine (D),

pseudouridine (Ψ), 7-methylguanine (GMe7),

2-O-methylguanine (GMe2)

 Ở thùy thẳng đứng với thân có đối mã (anticodon)

 Đầu 3’ luôn có trình tự -CCA-, kết hợp với amino acid

 Đầu 5’ là G, có gốc phosphate ở C-5’ (pG)

 ARNt có vai trò vận chuyển amino acid vào ribosome để tổng hợp protein

III MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ACID NUCLEIC

1 Phổ hấp thụ của ADN ở vùng tử ngoại

 Do có các base nitrogen có vòng thơm → hấp thụ mạnh

ở vùng ánh sáng tử ngoại có λ = 250 - 280 nm, có cực đại hấp thụ ở 260 nm

Định lượng acid nucleic, xác định độ sạch của chế phẩm acid nucleic

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc xoắn kép của

ADN, sự biến tính và sự phục hồi cấu trúc xoắn kép ADN

a) Ảnh hưởng của nhiệt độ

 Dung dịch ADN dạng tự nhiên có độ nhớt cao ở pH 7, t° 25°C

 Nhiệt độ cao, acid nucleic bị biến tính → ADN xoắn kép bị tách thành 2 nhánh, liên kết cộng hóa trị không bị đứt → λ = 260 nm tăng lên

 Nhiệt độ làm mất một nửa cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN gọi là nhiệt độ nóng chảy (tm hoặc Tm)

 Tm phản ánh độ bền cấu trúc xoắn kép của ADN ADN giàu các base G và C có tm cao hơn các ADN giàu A và T

 Giá trị Tm tăng tuyến tính với tỷ lệ %GC

Xác định được chính xác tm của ADN ở những điều kiện xác định

về pH, lực ion, có thể ước lượng thành phần base của nó

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc xoắn kép của

ADN, sự biến tính và sự phục hồi cấu trúc xoắn kép ADN

a) ADN bị biến tính có thể được phục hồi ở những điều kiện xác

định

c) Tác dụng của tia tử ngoại đến cấu trúc acid nucleic

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc xoắn kép của

ADN, sự biến tính và sự phục hồi cấu trúc xoắn kép ADN

d) Sự biến đổi hóa học của các acid nucleic, và các đột biến

Một số yếu tố hóa học, biến đổi hóa học acid nucleic thường gặp

 Loại nhóm amine ở ngoài vòng của các base cytosine, adenine và guanine tạo thành uracine, hypoxanthine, xanthine theo thứ tự

tương ứng

 Thủy phân liên kết N- α -glycosyl giữa base với pentose

 Acid nitrous được tạo thành từ nitrosamine hoặc từ muối nitrate,

nitrite → ↑ loại nhóm amin

 Methyl hóa base nitrogen: methyl hóa guanine → O 6 -methylguanine

→ không thể tạo thành cặp base với cytosine

 Các chất hóa học

Vai trò của hệ thống bảo vệ, sửa chữa hóa sinh