Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 4: Nucleic acid

Bài giảng Hóa sinh đại cương - Chương 4 Nucleic acid cung cấp cho người học những kiến thức như: Thành phần hóa học của nucleic acid, cấu tạo của nucleic acid, sinh tổng hợp nucleic acid, phân giải các nucleic acid. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 4: ACID NUCLEIC

- NA có ở bất cứ TB hoặc cấu trúc sống nào, dù đ/giản nhất như virus Trong TB, các AN có thể ở dạng tự do hoặc ở dạng

lk với protein (nucleoprotein)

- Chỉ từ những năm 50 của TK 20, khi các ph/ph h/học và v/lý h.đại được s/dụng thì c.tạo h.học, t.chất lý – hóa và c/n s.học của NA mới sáng tỏ G/đ này là th/gian ra đời của SHPT h/đại

- F Meischer (1869) ph/tích th/ph h/học của mủ vết thương (xác bạch cầu chết) – ph/hiện ra h/chất có tính acid trong nhân BC, gọi là “nuclein” Chất này có trong nhân và có tính acid (do chứa phosphoric acid), nên còn được gọi là NA hay acid nhân (nucleus = nhân)

- Về sinh học, NA = vật chất mang thông tin DT (mã DT) và th/gia th/hiện sự truyền đạt th/tin DT (biểu hiện gen hay STH protein)

- Về hóa học, NA = biopolymer hợp thành từ những đ/vị c/tạo là các mononucleotide Mỗi p.tử NA được coi là 1 polynucleotide với số lượng đ/vị c/tạo khác nhau

Dựa vào loại đường pentose, NA chia thành 2 loại:

- Ribonucleic acid (RNA) chứa -D-ribose

- Deoxyribonucleic acid (DNA) chứa -D-deoxyribose

TB sống chứa cả DNA và RNA (VD: TB gan có DNA t/trung chủ yếu trong NSTcủa nhân, RNA ở hạt nhân và bào tương)

Virus chỉ chứa 1 trong 2 loại NA: hoặc DNA (virus bệnh đậu mùa, giả dại) hoặc RNA (virus bại liệt, LMLM, cúm, ) Chính các p.tử NA là nhân tố bệnh lý ở virus

4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEIC ACID

4.1.1 Các base nitơ

4.1.2 Đường pentose

4.1.3 Nucleoside

4.1.4 Nucleotide

4.2 CẤU TẠO CỦA NUCLEIC ACID

4.2.1 Cấu tạo của DNA

4.2.2 Cấu tạo của RNA

4.3 SINH TỔNG HỢP NUCLEIC ACID

4.3.1 Sinh tổng hợp các nucleotide dạng purine

4.3.2 Sinh tổng hợp các nucleotide dạng pyrimidine 4.3.3 Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

4.1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEIC ACID

Nucleic acid (DNA, RNA )

Từ một NST, q/trình th/phân diễn ra lần lượt như sau:

NUCLEOPROTEIN

Histone, Protamin Nucleic acid (DNA)

Nucleotide

H 3 PO 4 Nucleoside

Deoxyribose Các base nitơ

Adenine Guanine Cytosine Thymine (Protein)

RNA và DNA thường có 4 loại

base nitơ là dx của purine và

4.1.1 Các gốc base nitơ

4.1.2 Đường pentose

- Để ph/biệt C của base và đường, đánh dấu phẩy cho số

C của đường pentose

- Dựa vào loại pentose chia NA thành loại: RNA (chứa ribose và DNA (chứa deoxyribose)

Trong NA có hai loại pentose dạng vòng

4.1.3 Nucleoside

Hợp thành từ 1 base và 1 pentose nhờ lk glycoside:

C1' của pentose - N9 trong base purine C1‟ của pentose - N1 trong base pyrimidine Ribose k/hợp với base nitơ tạo ra các nucleoside:

adenosine, guanosine, uridine và cytidine

Deoxyribose k/hợp với base nitơ tạo các nucleoside:

deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxythymidine và deoxycytidine

4.1.4 Nucleotide

Nucleotide là este phosphoric của nucleoside

Nếu trong nucleotide có 2‟- deoxyribose thì lk este tạo thành với phosphate ở C3' và 5„; khi có ribose thì ở C2', C3' và C5' Các nucleotide tự do trong TB thường có phosphate ở C5' Ribonucleotide = nucleotide có ribose trong phân tử

Deoxyribonucleotide = nucleotide có deoxyribose

(AMP)

(dAMP) (GMP)

(dGMP)

(CMP)

(dCMP)

(UMP)

TÊN CÁC BASE, NUCLEOSIDE VÀ NUCLEOTIDE

Trong NA, các nucleotide có 1 phosphate (mononucleotide), các nucleotide tự do trong TB có thể có 1, 2 hoặc 3 phosphate

Nucleoside monophosphate

Nucleoside diphosphate

Nucleoside triphosphate

- Ng/liệu tạo AN

- Th/gia dự trữ và v/c NL s/học (ATP, GTP)

- UDP v/c glucose trong STH glycogen, CDP v/c aminoalcol (choline) trong STH phospholipid

- AMP là thành phần c/tạo NAD+, FAD, CoA.SH, …

- Hai nucleotide vòng AMPc và GMPc là chất th/tin viên thứ hai

V/trò các nucleotide tự do:

4.2 CẤU TẠO CỦA NUCLEIC ACID

4.2.1 Cấu tạo của DNA

- Ph/tử DNA được tạo thành từ 2 mạch polynucleotide Mỗi

mạch có hàng trăm - hàng nghìn gốc deoxymononucleotide

(dAMP, dGMP, dCMP và dTMP)

- Trong deoxymononucleotide (đvct của DNA) có lk glycoside

nối base nitơ với đường pentose, lk este nối pentose với

phosphate

- Các nucleotide nối với nhau bằng lk phosphodieste hay dieste

phosphoric (giữa 3‟-OH của nucleotide trước với 5'-phosphate của nucleotide sau

Đường pentose là -D-deoxyribose Chứa Thymine

Ctb 1 của NA là sự lk của các nucleotide, tạo ra chuỗi

polynucleotide

Trong ctb1, các nucleotide nối với nhau bằng l/k phosphodiester 3', 5‘ (2 nucleotide gắn thông qua gốc phosphate nối giữa C3' của nucleotide trước với C5' của nucleotide sau)

a Cấu trúc bậc nhất (chuỗi polynucleotide)

- Chuỗi được tạo ra bởi sự nối lần lượt phosphate - đường - phosphate - đường -, …

- Các gốc base gắn với đường, nằm ra bên cạnh

- Nucleotide ở đầu chuỗi mang nhóm 5'-phosphate tự do,

nucleotide cuối có nhóm 3'-OH

tự do 

- Theo qui ước, chuỗi

polynucleotide có đầu 5'-P và

có đuôi 3'-OH

Trong ctb1 của AN, có 2 yếu tố được lưu ý đ/biệt:

Trình tự s/xếp các base trong chuỗi: là nền tảng cho vai trò th/tin

di truyền của DNA và RNA (nền tảng của mã di truyền)

Bằng cách nào với 4 gốc base (A, G, C, U (hoặc T) mà AN lại

mã được cho 20aa trong qt STH protein? Làm sao cắt nghĩa được c/sở của qt di tryền là “một gen – một chuỗi peptide” ?

Các n/c của Crick, Nirenberg, Mathaei đầu thập kỷ 1960, đã tìm

ra bí mật của mã dt (genetic code):

Codon, đ/vị mã dt, là những bộ ba nucleotide (triplet), xếp liên tiếp dọc chuỗi polynucleotide Với 4 loại nucleotide xếp theo bộ

ba, được 64 bộ (64 codon), thừa để mã cho 20 loại aa Không

có phg/án xếp từng đôi, vì 4 2 = 16 bộ, không đủ để mã

Mã dt (các gien) gồm những codon nằm liên tiếp nhau, không cách quãng bởi 1 nucleotide không th/gia vào codon nào (bản

mã dt là l/tục) Mỗi nucleotide chỉ th/gia vào 1 bộ ba mà không

có h/tượng trùng lặp Q/t “đọc” các mã x/phát từ 1 điểm kh/đầu, thường từ codon AUG trên m.RNA trong qt STH protein

b Cấu trúc bậc hai của nucleic acid

CẤU TRÚC BẬC HAI CỦA DNA: CHUỖI XOẮN KÉP

Đầu 1950s, việc tìm hiểu c/trúc DNA được q/tâm đ/biệt, đã có những k/q n/c q/trọng về DNA:

Các qui luật Chargaff:

Chargaff dùng ph/ph sắc ký n/c th/phần, tỷ lệ các loại base trong AN của các giống loài khác nhau,  nhận xét:

• Trong DNA, A = T, G = C ( base purine =  base pyrimidine: A + G =C + T)

• Tỷ lệ (A + T)/(G + C) thay đổi theo loài (có loài DNA chứa nhiều A + T hơn, có loài G + C nhiều hơn)

• Trong 1 giống loài, th/phần các base của DNA ổn định, không bị ả/hưởng từ nguồn lấy mẫu TB (các mô như nhau); không th/đổi do tuổi, mức độ d/dưỡng, mt sống, …

• Các cơ thể có q/hệ huyết thống có các base giống nhau

- Trong những khảo sát tinh thể bằng tia X trên DNA, Wilkins và Franklin (1952) nhận thấy hình ảnh khúc xạ có tính chu kỳ, tức

là có khả năng phân tử ở dạng chuỗi xoắn (helical structure)

- Đầu những năm 1950s có những nc đầy đủ hơn về c/trúc p/tử của các base purine và pyrimidine, đ/biệt về tr/thái hỗ biến đồng phân của chúng

Dựa vào các dữ kiện trên, Jame Watson và Francis Crick

đề ra mô hình xoắn kép của DNA (đáp ứng được các số liệu n/c đã tích luỹ được)

- Hai chuỗi xoắn ngược chiều

và s/song qua một trục chính – r của p/tử bằng 10A°, một ch/kỳ xoắn dài 34A°, với 10

cặp base, mỗi cặp dày 3,4A°, xếp vuông góc với trục chính

- Vành xoắn tạo bởi các p/tử deoxyribose và phosphate xếp xen kẽ liên tiếp nhau Các

base A-T, G-C ph/bố thành cặp trong lòng trụ xoắn kép, gắn bởi các l/k hydro

- Hai chuỗi quấn vào nhau và tạo ở mặt ngoài p/tử DNA hai rãnh: rãnh lớn và rãnh nhỏ

Mô hình xoắn kép DNA (Watson và Crick, 1953):

- P/tử DNA gồm 2 chuỗi polynucleotide quấn vào nhau tạo thành x/kép với chiều quấn tay phải Vành xoắn kép là 2 chuỗi deoxyribose – phosphate xếp x/kẽ l/tục, s/song và ngược chiều nhau: một chuỗi hướng 5‟→3‟, chuỗi kia ngược lại Lực quấn làm cho 2 chuỗi không rời nhau, trừ khi nhả xoắn

- Các base purine và pyrimidine xếp thành đôi trong lòng x/kép Mỗi cặp gắn với nhau bằng những l/k H và tạo thành m/phẳng  với trục p/tử DNA Có mấy điểm ràng buộc: (a) các cặp base x/phát từ 2 chuỗi nằm gọn trong kh/khổ qui định bởi đ/kính khoảng 20A° của xoắn kép; (b) giữa cặp base có lực ổn định qua l/k H, để l/k này h/thành cần có những đk nhất định

Từ những ràng buộc trên → hệ quả:

- Trong xoắn kép DNA chỉ có 2 cặp base th/mãn đ/đủ các đ/kiện: cặp Adenine - Thymine (A = T) và Guanine – Cytosine (G  C)

Hai base purine (A, G) không thể kết đôi vì quá to, ngược lại 2 base pyrimidine (C, T) lại quá bé, l/k hydro khó hình thành

→ Cặp A với T (hoặc U ở RNA) và cặp G với C là những base “bổ sung” nhau (complementary base pair)

Thông qua ng/tắc b/sung gốc base, những q/luật Chargaff được sáng tỏ

Hệ quả q/trọng: trình tự các base trên chuỗi này sẽ

tự động qui định trình tự các base chuỗi kia

Ng/tắc b/s gốc kiềm chi phối và đ/khiển ch/chẽ những q/t then chốt trong giới SV:

- Nhân đôi DNA,

- Sao chép mã dt,

- Phiên dịch mã dt

K/thuật d/truyền, c/nghệ gen, vv… đều dựa trên nguyên tắc nền tảng này

Mô hình DNA xoắn kép đã giới thiệu là dạng tồn tại tự

trên DNA ở đầu tinh trùng

Ở các g/đoạn ph/triển, tr/thái s/lý và đ/kiện m/trường

khác, tuy ít gặp hơn (thường ở VSV nha bào)

Bảng trên nêu th/số khác nhau của dạng phổ biến (dạng B) và của dạng A với p.tử dãn rộng, tạo xoang rỗng trong lòng cấu trúc Dạng đảo ngược chiều xoắn, theo bàn tay trái (dạng Z) chưa rõ

có v/trò s/học gì đối với th/vật và đ/vật

Riêng ở thực khuẩn X 174 (Sinsheimer ph/hiện 1959) có DNA dạng chuỗi đơn, vòng nhẫn, có khoảng 5500 nucleotide với MW 1,7 triệu dalton Tuy nhiên, khi nhiễm vào TB vi khuẩn, sẽ chuyển sang dạng xoắn kép để tiếp tục sinh sôi ở đây

c Có hai loại DNA

- Xoắn kép mở, như một sợi dây thừng, có 2 đầu mút, dạng phổ biến của DNA ở Eucaryotes, ví dụ các NST

- Xoắn kép vòng, ph/tử không có đầu và cuối, vòng tròn

khép kín; (DNA ở: VSV; trong chất nền ty thể, lạp thể ở

đ/vật và th/vật bậc cao) DNA xoắn kép vòng thường không kết hợp với protein

VD: E coli chứa một ph/tử DNA x/kép vòng, không gắn

histon, bản thân vòng lại xoắn nhiều tầng vào nhau thành siêu xoắn rất chắc gọn, ph/bố tại vùng nhân của bào tương

4.2.2 Cấu tạo của RNA

Trong cơ thể SV tồn tại 4 loại RNA:

- RNA thông tin (mRNA): 2-4%,

- RNA vận chuyển (tRNA): khoảng 15%,

- RNA ribosome (rRNA): khoảng 80% và

- RNA nhân, không đồng nhất (hnRNA)

Phần lớn các loại RNA có một mạch polynucleotide (trừ RNA

của một số VSV), mạch dài ngắn khác nhau tùy vai trò sinh học

- Đường pentose là -D-ribose

- Chứa U (T chỉ gặp trong tRNA với s/lượng rất ít)

- Cấu trúc bậc nhất của RNA = số lượng và trình tự s.xếp của

các mononucleotide trong mạch polynucleotide

- Khi chuỗi RNA cuộn gấp, nếu có những gốc kiềm b/sung A với U, G với C tiến đến gần nhau, giữa chúng cũng x/hiện lk

hydro và nếu đoạn đủ dài sẽ có những xoắn kép (cấu trúc

bậc 2) x/hiện dọc pt/ử (Chú ý: Đây là loại lk trong nội bộ 1

chuỗi, không có q/luật như ở DNA

Ví dụ, các tRNA có mạch polynucleotide cấu tạo từ 75-90 gốc nucleotide tự xoắn trong không gian tạo nên hình lá chẽ 3

(cấu trúc bậc hai), nhờ đó mà ph/tử tRNA th/hiện được c/n

của mình

a RNA thông tin (mRNA = messenger RNA)

- Là k.quả của q/trình s/chép gien DNA, chính là bản sao của

mã DT, được dùng tr/tiếp trong STH protein ở ribosome

- Nhờ xt của các polymerase, qtrình s/chép t/hợp mRNA được t/hiện dựa trên khuôn mẫu trình tự các base của một sợi trong xoắn kép DNA, ứng với gien mã cho protein mà TB cần t/hợp

Ở VSV, mRNA được s/chép ra ứng với nhiều gien (nhiều protein khác nhau có thể được ph/dịch ra từ mRNA này) → mRNA ở VSV là mRNA polycistron (đa gien)

Ở Eucaryotes, mỗi mRNA chỉ mã cho 1 protein (hoặc 1 chuỗi

polypetide)

Ở VSV, bán kỳ phân rã của mRNA rất ngắn (1-3 phút kể từ lúc được t/hợp) vì sự ph/dịch mã sang tr/tự aa trong protein được tiến hành ngay sau q/trình schép ra mRNA

Ở sv có nhân, mRNA tồn tại lâu hơn (tính bằng giờ), và trong một số tr/hợp đ/biệt như ở hạt giống th/vật, TB noãn đ/vật, nhờ những c/chế đ/biệt, nhiều mRNA ở dạng “dự trữ” trong nhiều ngày hoặc tháng

Về c/tạo, kích thước, các mRNA rất khác nhau, tuỳ thuộc vào loại protein cần mã Do đó, ở nhân TB chúng có tên là nhóm RNA không đồng nhất (hnRNA: heterogeneous nuclear RNA)

mRNA được schép ở nhân, song được dùng vào STH protein

ở b/tương Từ g/đ schép trên mẫu DNA đến khi thành mRNA hoạt động gắn với ribosome, các mRNA trải qua nhiều bước cải biến cấu trúc p/tử (posttranscriptional processing) diễn ra trong nhân TB

b RNA ribosome (rRNA: ribosomal RNA)

Ribosome là những cấu tử có ở bào tương, nhân và ty thể với vai trò là cỗ máy STH mọi loại protein

Ribosome có 2 tiểu phần gắn với nhau một cách linh hoạt: Khi th/hiện các pứ t/hợp protein, hai phần này tổ hợp lại thành ribosome hoàn chỉnh Khi chuỗi peptide đã hoàn tất, chúng lại tách rời nhau

Kích thước của ribosome biến động, tuỳ loại TB:

- Ở prokaryotes - ribosome 70S (gồm 2 tiểu phần 30S và 50S) với MW khoảng 2,5.106 D

- Ở eukaryotes - ribosome 80S (gồm 2 tiểu phần 40S và 60S), với MW từ 3,9 – 4,5.106 D

Về th/phần h/học, ribosome là những hạt ribonucleoprotein,

có tỷ lệ giữa RNA và protein tương ứng là 65% và 35% (ở ribosome 70S) hoặc gần 50 và 50% (ở ribosome 80S)

c RNA vận chuyển (tRNA)

- Các tRNA thường chứa khoảng 75-90 nucleotide, có ctb2 dạng cỏ ba lá (cloverleaf structure) vì một số gốc base b/sung nhau tạo lk hydro

- Mỗi AA (trong 20 loại AA có trong protein) có 1 hoặc nhiều

- Các tRNA đều chứa 3 gốc guanylic acid ở đầu 5‟-phosphate

và bộ ba C-C-A ở đầu 3‟-OH Nhóm 3'-OH của adenylic acid cuối cùng là nơi gắn AA đặc hiệu mà tRNA vận chuyển

Nhánh gắn aa: tạo bởi xoắn kép với 7 cặp base b/sung từ đoạn đầu 5‟ và đuôi 3‟ của ph/tử Nucleotide 5‟ thường là

G, đuôi 3‟ bao giờ cũng là

C-C-A Aminoacyl được gắn vào vị trí 3‟.OH của A

ở m.RNA), phần xoắn kép do 5 cặp kiềm bổ sung tạo nên

Nhánh T (hoặc TΨC): chứa mấy nucleotide bất thường (pseudouridine (Ψ) và thymine), phần xoắn kép do 5 cặp base b/sung tạo nên

4.3 SINH TỔNG HỢP NUCLEIC ACID

4.3.1 Sinh tổng hợp nucleotide dạng purine

- Phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP) quan trọng trong cả hai, và trong quá trình này cấu trúc của đường ribose được giữ lại trong các nucleotide sản phẩm, trái ngược với số phận của chúng trong sinh tổng hợp tryptophan và histidine đã thảo luận trước đó

- Acid amin là một tiền chất quan trọng trong từng đường

hướng: glycine cho purin và aspartate cho pyrimidine

Glutamine lại là nguồn quan trọng nhất của các nhóm amin trong năm bước khác nhau trong con đường tổng hợp mới

(de novo) Aspartate cũng được sử dụng làm nguồn cung cấp một nhóm amin trong tổng hợp purine, trong hai bước