BÀI tập môn hóa SINH THỰC PHẨM ACID NUCLEIC

MỤC LỤC Lời giới thiệu 4 I. Thành phần cấu tạo của acid nucleic 4 1.1. Pentose 5 1.2. Base nito 5 1.2.1. Base pymiridine 6 1.2.2. Base purine 7 1.3. Acid phosphoric 9 1.4. Thành phần hóa học chính của DNA và RNA 9 II. Nucleoside và nucleotide 10 2.1. Nucleoside 10 2.2. Nucleotide 12 2.3. Các nucleotide tự do quan trọng 14 2.3.1. Dẫn xuất adenine 14 2.3.2. Các dẫn xuất của hypoxanthine 15 2.3.3. Các dẫn xuất của guanosine 15 2.3.4. Các dẫn xuất của uracil 15 2.3.5. Các dẫn xuất của cytosine 15 2.3.6. Các enzyme nucleotide 15 2.3.7. Methionin hoạt hóa 16 III. Acid nucleic 16 3.1. Cấu trúc của acid deoxyribonucleic (DNA) 17 3.1.1. Cấu trúc bậc I 17 3.1.2. Cấu trúc bậc II 18 3.1.3. Tính chất DNA 20 3.2. Cấu trúc của RNA 20 3.2.1. Cấu trúc bậc 1 21 3.2.2. Cấu trúc bậc II 21 3.2.3. Các loại RNA 21 3.2.3.1. RNAt 21 3.2.3.2. RNAm 21 3.2.3.3. RNAr 21 IV. Chức năng sinh học của Acid nucleic…………………………………………...22 4.1. Chức năng sinh học của DNA……………………………………………….22 4.2. Chức năng sinh học của RNA…………………………………………….....22 4.2.1. Chức năng sinh học của RNAm 23 4.2.2. Chức năng sinh học của RNAt…………………………………..23 4.2.3. Chức năng sinh học của RNAr 23

BÀI TẬP MÔN HÓA SINH THỰC PHẨM

ACID NUCLEIC

MỤC LỤC

Lời giới thiệu 4

I Thành phần cấu tạo của acid nucleic 4

I.1 Pentose 5

I.2 Base nito 5

I.2.1 Base pymiridine 6

I.2.2 Base purine 7

I.3 Acid phosphoric 9

I.4 Thành phần hóa học chính của DNA và RNA 9

II Nucleoside và nucleotide 10

II.1 Nucleo side 10

II.2 Nucleo tide 12

II.3 Các nucleotide tự do quan trọng 14

II.3.1 Dẫn xuất adenine 14

II.3.2 Các dẫn xuất của hypoxanthine 15

II.3.3 Các dẫn xuất của guanosine 15

II.3.4 Các dẫn xuất của uracil 15

II.3.5 Các dẫn xuất của cytosine 15

II.3.6 Các enzyme nucleotide 15

II.3.7 Methionin hoạt hóa 16

III Acid nucleic 16

III.1 Cấu trúc của acid deoxyribonucleic (DNA) 17

III.1.1 Cấu trúc bậc I 17

III.1.2 Cấu trúc bậc II 18

III.1.3 Tính chất DNA 20

III.2 Cấu trúc của RNA 20

III.2.1 Cấu trúc bậc 1 21

III.2.2 Cấu trúc bậc II 21

III.2.3 Các loại RNA 21

III.2.3.1 RNAt .21

III.2.3.2 RNAm .21

III.2.3.3 RNAr .21

IV Chức năng sinh học của Acid nucleic……… 22

IV.1 Chức

năng sinh học của DNA……….22

IV.2 Chức năng sinh học của RNA……… 22

IV.2.1 Chức năng sinh học của RNAm 23

IV.2.2 Chức năng sinh học của RNAt……… 23

IV.2.3. Chức năng sinh học của RNAr 23

Lời giới thiệu

Acid nucleic là hợp chất quan trọng bậc nhất trong sự di truyền và tổng hợp protein Tất

cả cơ thể sống đều chứa Acid nucleic hoặc dưới dạng tự do hoặc dưới dạng kết hợp với protein tạo thành nucleoprotein

Acid nucleic là những hợp chất cao phân tử đóng vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sống của mọi cơ thể sinh vật chúng tham gia vào các quá trình cơ bản của sự sống như sinh tổng hợp protein, sinh trưởng, sinh sản, đặc biệt là di truyền…, Acid nucleic tham gia cấu tạo nhân tế bào, tế bào, và quyết định đặc tính di truyền của sinh vật Acid nucleic là những hợp chất quan trọng không thể thiếu, không thể thay thế được trong hoạt động sống của mọi sinh vật

Acid nucleic được nhà bác học Đức F Miescher tìm ra năm 1868 từ nhân tế bào Do vai trò cực kỳ quan trọng của Acid nucleic, đặc biệt vai trò của chúng trong di truyền học nên những nghiên cứu về Acid nucleic ngày càng được xúc tiến mạnh mẽ và đạt được những thành tựu to lớn, áp dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực : trồng trọt, chăn nuôi, y học, dược học, di truyền học,…

Acid nucleic trong cơ thể dưới 2 dạng chính :

- Acid ribonucleic (RNA)

- Acid deoxyribonucleic (DNA)

Hình 2: Chuỗi DNA Hình 1: Chuỗi RNA

Trước khi đi sâu vào chức năng sinh học của Acid nucleic, chúng ta cần nghiên cứu thànhphần và cấu trúc của chúng, bởi vì chức năng sinh học của Acid nucleic liên quan chặt chẽ với thành phần cấu trúc của chúng.

I Thành phần cấu tạo của Acid nucleic

Các nguyên tố tham gia trong cấu tạo Acid nucleic là: C, H, O, N, P; đạc biệt lượng P (

Hình 1.1. Furanose cấu trúc-ribose và deoxyribose

RNA chứa D-ribose pentose, trong khi 2-deoxy ribose được tìm thấy trong DNA Ở cả hai trường hợp, pentose hình thành vòng 5 cạnh được gọi là furanose: ribofuranose-D cho RNA và 2-deoxy-D ribofuranose-cho DNA (hình 1.1) Các ribofuranose ở nucleotide được đánh số nguyên tử là 1’,2’,3’, và như vậy để phân biệt với các nguyên tử trong vòng base nito

Hai phân tử đường này khác nhau ở C2'; trong ribose đó là nhóm hydroxyl và trong deoxyribose là một hydro (Hình 1.1) Do các gốc đường khác nhau này đã tạo ra hai loại

đặc quánh hơn nhiều do sự trở ngại lập thể (steric hindrance) và mẫn cảm hơn với sự thuỷ phân trong các điều kiện kiềm (alkaline), có lẽ điều này giải thích phần nào tại sao DNA xuấthiện như là vật chất di truyền sơ cấp (primary genetic material).

Cần để ý rằng, trong các phân tử đường này có ba vị trí quan trọng có chứa nhóm

hydroxyl (-OH) tự do, đó là: (i) nhóm -OH ở vị trí C1' có khả năng hình thành liên kết glycosid với gốc -NH của các base để tạo thành các nucleoside; (ii) nhóm -OH ở vị trí C5' có khả năng hình thành liên kết ester với nhóm phosphate để tạo ra các nucleotide; và (iii) nhóm-OH ở vị trí C3' có khả năng hình thành liên kết phosphodiester với nhóm phosphate của mộtnucleotide khác để tạo chuỗi polynucleotide Như vậy, tính phân cực (polarity) trong gốc đường mà từ đó quyết định tính phân cực của các chuỗi polynucleotide được thể hiện ở hai vịtrí C5' và C3'

N-I.2.Base Nito

Cơ sở của nucleotide và acid nucleic là dẫn xuất của pyrimidine hoặc purine Pyrimidine

là vòng thơm 6 cạnh chứa 2 nguyên tử N và được đánh số theo chiều kim đồng hồ (hình 1.2).Còn cấu trúc vòng purine được cấu tạo từ sự kết hợp của 1 vòng pyrimidine với imidazole vàtạo thành 1 hệ thống liên hợp toàn phân tử 9 nguyên tử này được đánh số như hình vẽ

Hệ thống vòng liên hợp của pyrimidine nằm trên 1 mặt phẳng, trong khi đó purine có lệch đôi chút trong mặt phẳng bởi liên kết giữa pyrimidine và imidazol Cả 2 đều tương đối không tan trong nước

Hình 1.2 Vòng pyrimidine (a) và purine (b)

Base Nito là dẫn xuất từ 2 nhân dị vòng là purine và pyrimidine, trong đó H được thay thế bởi nhóm hydroxyl (-OH), amine (-NH2) hoặc methyl

I.2.1 Base pyrimidine

- U chỉ có trong RNA, không có trong DNA.

- Phần lớn T có trong DNA, một ít trong RNA vận chuyển

- C có trong DNA và RNA

I.2.2 Base purine

- A và G có trong DNA và RNA.

Các hệ thống vòng thơm pyrimidine và purine và giàu mật độ e của nhóm OH và NH2

làm cho các base nito có khả năng tautomer hóa keto-enol Nghĩa là pyrimidine và purine có cặp tautome, như trong hình vẽ:

Các base phổ biến trong cả DNA và RNA là tương đối bền vững ở trạng thái hỗ biến được gọi là dạng hỗ biến ưu thế (dominant tautomeric form); có lẽ đó là lý do tại sao chúng được chọn lọc để mang thông tin di truyền Nói chung, các base này đều ít tan trong nước và có khả năng hấp thu ánh sáng cực đại ở 260-270 nanomet (1nm = 10-9m) Chúng có thể được tách

ra bằng các phương pháp sắc ký và điện di

Hình 1.4 Các dạng hỗ biến của các base trong DNA (A) Các dạng amino (phổ biến)

của adenine và cytosine có thể biến đổi thành các dạng imino; và (B) các dạng keto (phổ biến) của guanine và thymine có thể sắp xếp lại thành các dạng enol Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hydro R là các gốc đường và phosphate

I.3 Acid phosphoric: H 3 PO 4

- Phosphoric acid (H3PO4) là acid vô cơ có chứa phosphor (P), một nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất và năng lượng của tế bào

- Do có chứa ba nhóm -OH nên acid này có thể hình thành liên kết ester với các gốc đường tại các vị trí C5' và C3' để tạo nên các nucleotide và chuỗi polynucleotide

I.4.Thành phần hóa học chính của DNA và RNA

Thành phần Ribonucleotide Dezoxyribonucleotide

Ngoài thành phần chính trên, RNA và DNA còn chứa thêm một số base có nito khác:

- DNA của vi khuẩn có N.6 methyladenine, 5-hydrocylmethylcystosine

N.6 methyladenine 5-hydrocylmethylcystosine

- DNA của thực vật, động vật chứa 5-methylcystosine

- RNA ribosome và ARN vận chuyển còn chứa base purine và pyrimidine được methyl hóa

- RNA vận chuyển còn chứa pseudouridin ( 5’ ribosyl uracil), hypoxanthine (

6-oxypurine) , 1-methylhypoxanthine; 5,6-dihydrouracil, một ít thymine

Pseudouridine Hypoxanthin 1-methyl hypoxanthine

II Nucleoside và nucleotide

II.1. Nucleoside

Nucleoside là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của Acid nucleic, gồm base nito liên kết với pentose bằng liên kết N-glucosid, giữa N thứ 1 của base pyrimidine hay N thứ 9 của base purine với C 1’ của pentose.

Cách gọi tên:

- Gọi tên theo pentose: Nucleoside có thành phần là ribose được gọi

là ribonucleoside và deoxyribonucleoside nếu thành phần chính là deoxyribose

- Ngoài ra còn gọi tên theo thành phần các base nito: nucleoside được đặt tên bằng cách bổ

sung đuôi –idine với tên gốc pyrimidine hay –osine với tên gốc của purine Ví dụ:

cytidine, uridine, thymidine, adenosine, và guanosine Các nucleoside hình thành bởi hypoxanthine và ribose là inosine.

Cấu dạng của nucleoside:

Do ảnh hưởng của hiệu ứng không gian của các base nito cũng như của gốc đường

pentose mà nucleoside và nucleotide tồn tại 1 trong 2 cấu dạng syn hoặc anti.

Đối với pyrimidine trong cấu dạng syn bị ảnh hưởng bị hiệu ứng không gian của nhóm

CH2OH do đó cấu dạng anti sẽ bền hơn do ít bị ảnh hưởng còn purine có thể ở 1 trong 2 dạng syn hoặc anti.

Nucleoside có khả năng tan nhiều hơn trong nước do có tính phân cực tương đối Giống như glycoside, nucleoside tương đối ổn định trong kiềm, nhưng bị thủy phân trong môi trường acid tạo thành các base nito tự do và pentose

Adenosine còn có vai trò khác trong việc điều chỉnh nhịp tim Nhịp tim được điều khiển bởi

1 máy tạo nhịp tim, nút xoang nhĩ, mà theo chu kì gởi xung điện để kích thích cơ tim Bằng cách ngăn cản sự truyền xung điện, adenosine làm giảm nhịp tim Ngoài ra, adenosine còn liên quan đến độ dài của giấc ngủ trong lúc tỉnh táo, cấp adenosine ngoại bào tăng là kết quả của các hoạt động trao đổi chất trong não và sự gia tăng này làm giảm buồn ngủ trong giấc ngủ mức adenosine giảm caffeine tăng cường sự tỉnh táo bằng cách ngăn chặn sự tương tác của adenosine ngoại bào với các thụ thể thần kinh

II.2. Nucleotide

Các nucleoside thường không ở trạng thái tự do mà kết hợp với H3PO4 tạo thành

nucleotide, trong đó pentose liên kết với nhóm phosphor bởi liên kết ester ở các vị trí

2’,3’,5’

Cách gọi tên:

- Gọi tên theo pentose tương ứng

Nếu nucleotide có thành phần là ribose thì được gọi là ribonucleotide (ribotide) và với dezoxyribose thì được gọi là deoxyribonucleotide (dezoxyribotide)

- Gọi tên theo base nito:

+ Ribonucleoside 5’ monophosphat : AMP, GMP, UMP, CMP, IMP

+ Dezoxyribonucleoside 5’ monophosphat: dAMP, dGMP…

Các nucleotide có thể kết hợp với 2 hoặc 3 phân tử H3PO4 để tạo thành nucleoside

diphosphat và nucleoside triphosphat và thường là nucleoside 5’ diphosphat và nucleoside 5’ triphosphat giữ vai trò quan trọng trong cơ thể

Ngoài ra, khi gốc P được nối giữa C5’ và C3’ trong cùng 1 pentose tạo

cấu trúc nucletide vòng Một số dạng nucleotide vòng

quan trọng như: cAMP, cGMP

Nói chung, các nucleotide thường có tính acid mạnh và tan

trong nước Các nucleoside monophosphate được xem là các axit

đúng như tên gọi phản ảnh (ví dụ AMP là adenylic acid hay

adenylate); chúng có sự ion hoá sơ cấp với pKa 1-2 và ion hoá thứ

cấp với pKa 6,5-7,0, như sau:

-H2PO3 ↔ -HPO3- + H+ ↔ PO3-2 + H+

Tất cả các phosphate của các nucleoside di- và triphosphate

đều ion hoá, nhưng chỉ nhóm tận cùng là có ion hoá thứ cấp Các

nucleotide này đều có ái lực với cation hoá trị hai như Mg2++ và Ca2++

(chúng tương tác với các nhóm phosphate α và β hoặc β và γ)

Tóm lại, nucleotide có vai trò vô cùng to lớn với trao đổi chất tế bào sống chúng là viên gạch để xây dựng đại phân tử acid nucleic, tham gia thành phần 1 số enzym quan trọng, một số nucleotide là chất tích lũy năng lượng cần thiết để thực hiện các quá trình hoạt động sống Sau đây,chúng ta sẽ tìm hiểu về các nucleotide tự do quan trọng

II.3. Các nucleotide tự do quan trọng

II.3.1 Dẫn xuất adenine

- Adenosine diphosphat và triphosphat ( ADP,ATP)

Vai trò:

+ Tham gia phản ứng phosphoryl oxy hóa

+ ATP là nguồn phosphat giàu năng lượng, dự trữ và cung cấp năng lượng cho các phản ứng

+ Hoạt hóa các chất: nhiều chất muốn chuyển hóa phải được hoạt hóa bằng cách gắn phosphat vào phân tử ví dụ:

Glucose Glucose 6P

ATP ADP

- Adenosine monophosphat vòng ( 3’ 5’ adenosine monophosphat = cAMP)

cAMP được tạo thành từ ATP nhờ enzym adenyl cyclase, khi không hoạt động cAMP nhanh chóng bị phân hủy thành AMP bởi xúc tác của enzym phosphodiesterase

 cAMP có thể tham gia vào sự hoạt động của một số hormon, tham gia tổng hợp hormon

II.3.2 Các dẫn xuất của hypoxanthine

- Inosine monophosphat ( IMP )

- Inosine diphosphat ( IDP)

glucokinase

adenylcyclase

phosphodiesterase

Guanosine di và triphosphat ( GDP, GTP) có vai trò quan trọng trong tổng hợp protein và adenine.

II.3.4 Các dẫn xuất của uracil

Uracil di và triphosphat ( UDP ,UTP)

- UTP là hợp chất phosphat giàu năng lượng

- Tham gia trong các phản ứng liên hợp glucuronic

- Là những coenzyme quan trọng trong chuyển hóa glucose và galacose ( UDPG, UDPGal), trong tổng hợp glycogen

II.3.5 Các dẫn xuất của cytosine

Cytosine di và triphosphat ( CDP, CTP)

- CTP là chất duy nhất tham gia tổng hợp lecithine

- CTP tham gia phản ứng phosphoryl hóa trong tổng hợp cephalin

II.3.6 Các enzyme nucleotide

Một số nucleotide liên kết với vitamine đóng vai trò coenzyme:

- FAD ( Flavin adenine dinucleotide) : vận chuyển H2

- FMN ( flavin mononucleotide) :vận chuyển H2

- NAD ( nicotinamid adenine dinucleotide) có vai trò vận chuyển H2

- NADP ( nicotinamid adenine dinucleotide phosphat)

- NMN ( nicotiamid mononucleotide)

- HSCoA ( coenzyme A) có vai trò vận chuyển nhóm acyl và acetyl

II.3.7 Methionin hoạt hóa

Methionine là 1 acid amin có nhiệm vụ cung cấp nhóm CH3 cho các chuyển hóa cơ thể, muốn tham gia chuyển methyl thì methionine phải được hoạt hóa bằng cách kết hợp với adenosine và tạo thành S adenosyl methionine

III Acid nucleic

Từ các đơn phân nucleotide liên kết lại bằng liên kết photphodiester tạo nên chuỗipolynucleotide Các ribonucleotide nối với nhau cho chuỗi polyribonucleotide, còn cácdezoxyribonucleotide nối với nhau sẽ tạo nên chuỗi polydezoxyribonucleotide.

Liên kết ester được tạo ra từ nhóm C3'-OH của nucleotide trước với nhóm OH còn lại của

H3PO4 ở đầu 5' của nucleotide sau Hai nhóm OH loại 1 phân tử nước và nối lại với nhau bằng liên kết ester Như vậy, phân tử H3PO4 đă tạo ra 1 liên kết ester trong nucleotide và 1 liên kết ester nối 2 nucleotide lại với nhau, do đó gọi là liên kết photphodiester

Chuỗi polynucleotide mang tính phân cực Đầu trái luôn có nhóm P là đầu 5', đầu phải luônluôn có nhóm OH tự do tại C3 nên gọi là đầu 3' Chuỗi polynucleotide chỉ nối dài theo chiều 5'-3', tức là nucleotide mới vào liên kết để kéo dài chuỗi chỉ được nối thêm vào đầu 3'

Khi phân tích định tính và định lượng DNA, Chagaff và các cộng sự của ông đã rút ra được kết luận sau:

- Hàm lượng tính theo một của Adenine bằng Thymine và Guanine bằng Cytosine

- Từ nhận xét (l) và (2) rút ra: tổng số gốc kiềm purine bằng tổng số gốc kiềm

III.1.2 Cấu trúc bậc II

Với những công trình nghiên cứu của Wilkins, Franklins, Watson và Crick (1953) đã đưa

ra mô hình DNA như sau:

- Mỗi phân tử DNA gồm 2 chuỗi polynucleotide xoắn theo hướng ngược nhau quanh 1 trụcchung

- Mỗi mononucleotide nằm trong mặt phẳng thẳng góc với chuỗi polynucleotide 2 sợi polynucleotide liên kết với nhau bằng những liên kết H giữa đôi base

Adenine liên kết Thymine bằng 2 liên kết HydroGuanine liên kết Cytosine bằng 3 liên kết Hydro

Sự hình thành liên kết giữa đôi base như vậy gọi là quy luật đôi base bổ sung:

- Thứ tự các base trong 1 sợi có thể khác nhau nhưng sợi thứ 2 phải có tính chất bổ sung

Do nguyên tắc bổ sung nên khi 2 sợi DNA tách ra, một sợi được dùng như 1 cái khuôn để tổng hợp 2 sợi mới bổ sung giống nhau, đây là đặc tính di truyền

- Mỗi vòng xoắn dài 34 A0 chứa 10 cặp gốc kiềm

- Độ dài một cặp gốc kiềm là 3,4 A0

- Bán kính vòng xoắn 10A0

- Khoảng cách giữa hai gốc kiềm đối xứng là 3A0

- Khoảng cách giữa 2 deoxyribose đối xứng là 11 Ao

- Khoảng cách giữa 2 acid phosphoric là 20 Ao ( bề rộng phân tử DNA)

Hình 3.3 Chuỗi DNA

Có thể hình tượng mỗi chuỗi polynucleotide gồm 3 dải:

+ Trong cùng là dãy base nito liên kết với base nito của dải đối xứng bằng liên kết Hidro.+ Kế đến là dãy dezoxyribose

+ Ngoài cùng là dãy acid phosphoric