Cấu tạo chuỗi poly nucleotide

Chia sẻ: Van Thuong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

488
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu tạo chuỗi poly nucleotide

ấu tạo chuỗi poly nucleotide Từ các đơn phân nucleotide liên kết lại bằng liên k ết photphodiester t ạo nên chu ỗi polynucleotide. Các ribonucleotide nối với nhau cho chuỗi polyribonucleotide, còn các dezoxiribonucleotide nối với nhau sẽ tạo nên chuỗi poly dezoxiribonucleotide. 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 l ại v ới 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. Cấu trúc chuỗi polinucleotit
Chuỗi polynucleotide mang tính phân cực. Đầu trái luôn có nhóm P là đầu 5', đầu phải luôn luôn có nhóm OH tự do tại C3 nên gọi là đầu 3'. Chuỗi polynucleotide chỉ nối dài theo chi ều 5'-3', t ức là nucleotide mới vào liên kết để kéo dài chuỗi chỉ được nối thêm vào đ ầu 3'. Từ 4 loại nucleotide (trong ADN là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP; trong ARN là AMP, GMP, CMP, UMP) sẽ tạo nên vô số các chuỗi polynucleotide khác nhau. Các chuỗi polynucleotide được phân biệt nhau bởi 3 yếu t ố: - Thành phần các nucleotide. - Số lượng các nucleotide. - Trật tự sắp xếp các nucleotide. Từ polyribonucleotide tạo ra ARN, còn từ polydezoxiribonucleotide sẽ tạo ra ADN. Cấu tạo ADN (aciddezoxiribonucleic) * Đặc điểm cấu tạo AND. Phân tử ADN được tạo ra từ hai chuỗi polynucleotide - hai chuỗi này xếp song song và ngược chiều nhau. Sự đối song của phân t ử ADN b ảo đ ảm có s ự liên k ết b ổ sung giữa hai chuỗi qua các bazơ nit ơ. Bazơ nitơ quay vào phía gi ữa hai chu ỗi nên hai chu ỗi phải ngược chiều nhau. Sự đối song cũng đảm bảo sự ổn định cho cấu trúc phân t ử ADN. Đ ể có các liên k ết b ổ sung giữa hai chuỗi thì hai chuỗi phải song song. Các bazơ nitơ của hai polynucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên lý bổ sung: A chuỗi này liên kết với T chuỗi kia b ằng 2 liên k ết hydro và ng ược l ại G chu ỗi này liên kết với C chuỗi kia bằng 3 liên kết hydro. Tính chất bổ sung trên bảo đảm cho hai chuỗi luôn song song và kho ảng cách gi ữa hai chu ỗi không đổi do trong cặp bazơ bổ sung bao giờ cũng có m ột baz ơ purin có kích th ước l ớn đi kèm một bazơ pirimidin có kích thước bé. ADN có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau. Mỗi kiểu cấu trúc t ồn t ại trong đi ều ki ện riêng và chúng có thể chuyển đổi lẫn nhau khi thay đổi các điều kiện t ương ứng. Hi ện nay, ng ười ta tìm th ấy trong tế bào ADN tồn tại ở dạng B, A, C, D, Z, E... trong đó, d ạng B ph ổ bi ến h ơn và có vai trò trong cơ chế truyền đạt thông tin di truyền. Thành phần của ADN cũng rất đa dạng. Sự đa dạng của chuỗi polynucleotide đã phân tích ở trên tạo nên sự đa dạng của ADN. Hình thái ADN trong tế bào cũng rất đa dạng. Có loại ADN s ợi đ ơn th ẳng, s ợi đ ơn d ạng vòng, sợi kép thẳng, sợi kép dạng vòng ... Kích thước ADN cũng rất đa dạng, từ vài trăm cặp bazơ đến hàng triệu cặp baz ơ.
* Cấu trúc không gian ADN dạng B (theo Watson - Crick). Kết hợp nhiều công trình nghiên cứu về ADN trước đó, đặc biệt là nghiên cứu của Sachgaff cùng những nghiên cứu của mình, năm 1953, Watson và Crick đã công bố mô hình c ấu trúc không gian c ủa ADN. Mặc dù đến nay người ta đă phát hiện thêm nhiều d ạng c ấu trúc khác c ủa ADN, cũng nh ư xác định được cấu trúc thực của ADN có khác so với mô hình lý thuy ết c ủa Watson - Crick, nh ưng sự ra đời mô hình của Watson - Crick đã trở thành b ước ngoặt trong sinh h ọc, báo hi ệu s ự ra đ ời của sinh học phân tử. Cấu trúc không gian của ADN, theo Watson - Crick, có nh ững đặc điểm cơ bản sau : - Hai chuỗi polynucleotide đối song, xoắn theo chiều phải. - Khung dizoxiriboza và H3PO4 nằm ngoài bề mặt phân tử. - Các bazơ nitơ hướng vào phía trong chuỗi xoắn. Mặt phẳng các baz ơ nit ơ song song v ới nhau và thẳng góc với trục phân tử. Hai bazơ nitơ của hai chuỗi liên k ết v ới nhau b ằng liên k ết hydro theo nguyên tắc bổ sung (A = T, G ≡ C). Hai cặp bazơ nitơ gần nhau xếp lệch góc 36oC. - Đường kính chuỗi xoắn 2 nm. Mặt phẳng hai cặp bazơ nit ơ li ền nhau cách nhau 0,34 nm. M ỗi vòng xoắn có 10 cặp bazơ nitơ với chiều dài 3,4nm. Kích th ước trên là theo tính toán của Watson - Crick, là kích thước gốc. Gần đây, qua xác định bằng thực nghiệm, người ta thấy ADN dạng B (dạng của Watson - Crick) có trung bình 10,5 c ặp baz ơ nit ơ trên m ột vòng xoắn và chiều dài vòng xoắn là 3,6nm (thay vì 10 cặp và 3,4nm ở mô hình Watson - Crick).
Các dạng cấu trúc của ADN Dạng cấu trúc B A C Z Đặc tính Chiều xoắn Phải Phải Phải Trái Số cặp N của 1 vòng 10,0 10,9 91/3 12,0 Đường kính vòng xoắn 20Ao 23Ao 19Ao 18Ao Khoảng cách 2n 3,4Ao 2,9Ao 3,3Ao 3,4Ao Chiều dài vòng xoắn 34Ao 32Ao 31Ao 45Ao Góc của bazơ nitơ với trục 90o 20o 18o Góc giữa hai bazơ 36o 32,7o 38,6o - 30o Thành phần hóa học của các nucleotide DT PHÂN TỬ Vào giữa thập niên 1940, các nhà hoá sinh h ọc đã bi ết đ ược các c ấu trúc hoá h ọc c ủa DNA và RNA. Khi phân cắt DNA thành các tiểu đơn vị, họ phát hi ện ra r ằng m ỗi nucleotide c ủa DNA gồm ba thành phần: một base nitơ (nitrogenous base), m ột đ ường deoxyribose, và m ột phosphoric acid. Tương tự, RNA cho ra các base, phosphoric acid và đ ường ribose. Các nucleotide cũng có nhiều chức năng khác trong tế bào, ví d ụ nh ư các dòng năng l ượng, các ch ất dẫn truyền thần kinh và các thông tin loại hai như t ải nạp tín hiệu ch ẳng h ạn. 1. Base nitơ Các base nitơ (gọi tắt là base), thành phần đặc trưng c ủa các nucleotide, là các h ợp chấtpurine và pyrimidine dị vòng chứa nitơ có tính kiềm. Về cơ bản, các dẫn xuất của purine bao gồm adenine (A) và guanine (G), còn của pyrimidine gồm có: thymine (T), uracil (U) và cytosine(C). DNA chứa bốn loại base chính là adenine, guanine, thymine và cytosine. Trong RNA cũng ch ứa các base như thế, chỉ khác là uracil thay thế thymine (Hình 2.1). Cần chú ý rằng purine và pyrimidine là các base dị vòng chứa các nguyên t ử nit ơ nằm xen v ới các nguyên t ử carbon, nên việc đánh số các vị trí không thêm dấu phẩy trên đầu nh ư trong trường h ợp c ủa đ ường pentose (xem các Hình 2.4 - 2.6).
Bên cạnh các dạng phổ biến nói trên, các purine khác cũng có vai trò quan tr ọng trong trao đ ổi chất của tế bào, như: xanthine, hypoxanthine và uric acid; còn đối với pyrimidine đó là các oroticvà dihydroorotic acid . Ngoài ra còn bắt gặp một số loại base hiếm thuộc cả hai nhóm purine và pyrimidine. Đó là những base biến đổi chủ yếu do hiện tượng methyl hoá (methylation) xảy ra ở các vị trí khác nhau, chẳng hạn: 1-methyladenine, 6-methyladenine, 2-methylguanine, 5-methylcytosine v.v. Hình 2.1 Cấu trúc các base của DNA và RNA. Adenine và guanine là các dẫn xuất của purine; còn cytosine, thymine và uracil là các dẫn xuất của pyrimidine; trong đó uracil là đ ặc thù cho RNA và thymine cho DNA. Các base purine và pyrimidine có thể t ồn tại dưới các dạng hỗ biến (tautomeric forms) amino vàimino (đối với adenine và cytosine; Hình 2.2A), hoặc keto và enol (đối với guanine và thymine; Hình 2.2B). Đó là hai trạng thái t ồn t ại b ền (ph ổ bi ến) và kém b ền (ít ph ổ biến), có thể biến đổi qua lại với nhau do s ự dịch chuyển v ị trí c ủa các nguyên t ử hydro trong các base purine và pyrimidine. Hình 2.2 cho th ấy các dạng h ỗ bi ến c ủa các base trong DNA. Tương tự, uracil có hai dạng hỗ biến: lactam (dạng keto) chiếm ưu thế ở pH = 7 và lactim (dạng enol) gia tăng khi pH giảm. Chính hiện t ượng h ỗ bi ến này d ẫn t ới thay đ ổi kh ả năng k ết cặp bình thường của các base và làm phát sinh các đột biến gene d ạng thay th ế m ột c ặp base. Các base phổ biến trong cả DNA và RNA là t ương đối bền vững ở trạng thái h ỗ bi ến đ ược g ọi làdạng hỗ biến ưu thế (dominant tautomeric form); có lẽ đó là lý do t ại sao chúng đ ược ch ọn l ọc để mang thông tin di truyền. Nói chung, các base này đều ít tan trong n ước và có kh ả năng h ấp 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 2.2 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 d ạng keto (ph ổ bi ến) c ủa guanine và thymine có thể sắp xếp lại thành các d ạng enol. Các mũi tên bi ểu th ị s ự d ịch chuy ển vị trí nguyên tử hydro. R là các gốc đường và phosphate. 2. Đường pentose Các đường chứa năm carbon (pentose) là sản phẩm của quá trình trao đ ổi ch ất trong t ế bào, v ới nhiều loại như: arabinose, ribulose, ribose và dẫn xuất của nó là deoxyribose v.v. Đường pentose của RNA là D-ribose và của DNA là 2'-deoxy-D-ribose (ký hiệu D chỉ dạng đường quay phải trước ánh sáng phân cực để phân biệt với d ạng L quay trái không có trong thành phần của các nucleic acid t ự nhiên). Các phân t ử đ ường này đ ều có c ấu trúc vòng furanose (gọi như thế bởi vì nó giống với hợp chất furan dị vòng). Do các nguyên tử carbon ở đây xếp liên tục nên được đánh số thứ tự có dấu phẩy trên đầu, ví d ụ C 1', C2' cho đến C5'.
Hình 2.3 Cấu trúc của các phân tử đường ribose (trái) và deoxyribose (ph ải); chúng khác nhau ở nguyên tử carbon số 2. Hai phân tử đường này khác nhau ở C 2'; trong ribose đó là nhóm hydroxyl và trong deoxyribose là một hydro (Hình 2.3). Do các gốc đường khác nhau này đã t ạo ra hai lo ại nucleotide làribonucleotide và deoxyribonucleotide, mà từ đó cấu tạo nên hai loại nucleic acid khác nhau tương ứng là RNA và DNA. Và chính s ự khác bi ệt nhỏ nh ặt về mặt c ấu trúc này đã t ạo nên các đặc tính hoá lý rất khác nhau giữa DNA và RNA. Dung dịch DNA t ỏ ra đ ặc quánh h ơn nhi ều do sự trở ngại lập thể (steric hindrance) và mẫn cảm hơn với sự thuỷ phân trong các đi ều ki ện ki ềm (alkaline), có lẽ điều này giải thích phần nào t ại sao DNA xuất hi ện nh ư là v ật ch ất di truy ền s ơ cấp (primary genetic material). Cần để ý rằng, trong các phân tử đường này có ba vị trí quan tr ọng có ch ứa nhóm hydroxyl (- OH) tự do, đó là: (i) nhóm -OH ở vị trí C 1' có khả năng hình thành liên kết N-glycosid với gốc -NH của các base để tạo thành các nucleoside; (ii) nhóm -OH ở v ị trí C 5' có khả năng hình thành liên kết ester với nhóm phosphate để t ạo ra các nucleotide; và (iii) nhóm -OH ở v ị trí C 3' có khả năng hình thành liên kết phosphodiester với nhóm phosphate c ủa m ột nucleotide khác đ ể t ạo chu ỗi polynucleotide. Như vậy, tính phân cực (polarity) trong g ốc đ ường mà t ừ đó quy ết đ ịnh tính phân cực của các chuỗi polynucleotide được thể hiện ở hai vị trí C 5' và C3'. 3. Phosphoric acid Phosphoric acid (H3PO4) là acid vô cơ có chứa phosphor (P), m ột nguyên t ố đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất và năng lượng của tế bào. Do có ch ứa ba nhóm -OH nên acid này có thể hình thành liên kết ester với các gốc đường t ại các vị trí C 5' và C3' để tạo nên các nucleotide và chuỗi polynucleotide. Trong các nucleotide của DNA và RNA, nhóm phosphate liên k ết v ới các nucleoside t ại C 5'(xem Hình 2.5).‌ Trong trường hợp phân tử điều hoà AMP vòng (cyclic AMP = cAMP), nhóm phosphate tạo liên kết ester với hai nhóm -OH ở C5' và C3' trong cùng một nucleotide. Cấu trúc của các nucleotide DT PHÂN TỬ 1. Cấu trúc của các nucleoside Các base và đường trong RNA và DNA được nối với nhau thành các đ ơn vị g ọi là nucleoside. Mỗi nucleoside được tạo thành do một base nối với một đường pentose t ại v ị trí C 1' bằng mộtliên kết β-N-glycosid . Cụ thể là, nguyên tử carbon C1' của đường nối với nguyên tử N1 của pyrimidine hoặc với nguyên tử N9 của purine (xem các Hình 2.4 - 2.6).
Hình 2.4 Cấu trúc của bốn loại deoxynucleoside trong DNA. Tên gọi chính thức hay danh pháp của các nucleoside b ắt nguồn t ừ các base t ương ứng, trong đó các nucleoside là dẫn xuất của purine có đuôi -osine và các dẫn xuất của pyrimidine có đuôi - idine (Bảng 2.1). 2. Cấu trúc của các nucleotide Đơn vị cấu trúc cơ sở của các nucleic acid là các nucleotide. Các nucleotide là nh ững ester phosphate của các nucleoside. Hiện tượng ester hoá (esterification) có thể xảy ra ở bất kỳ nhóm hydroxyl tự do nào, nhưng phổ biến nhất là ở các vị trí 5' và 3' trong các nucleic acid. Về cấu trúc, mỗi nucleotide gồm ba thành phần k ết dính v ới nhau nh ư sau: g ốc đường pentosenối với một base tại C1' bằng một liên kết β-glycosid và nối với nhóm phosphate tại C5' bằng một liên kết phosphomonoester (Hình 2.5 và 2.6).
Hình 2.5 Cấu trúc của một deoxyribonucleotide (dAMP, bên trái) và một ribonucleotide (UMP). Ở đây cho thấy các mối liên kết N-glycosid và ester. Như thế tính phân cực trong cấu trúc một nucleotide th ể hi ện ở các nhóm hydroxyl thu ộc hai v ị trí C5' (tạo liên kết ester với nhóm phosphate trong từng nucleotide) và C 3' (tạo liên kết phosphodiester với nucleotide khác trong chuỗi polynucleotide).
Hình 2.6 Cấu trúc chi tiết của bốn loại deoxyribonucleotide trong DNA. Ở đây cũng ch ỉ ra danh pháp của các nucleoside và nucleotide. 3. Cấu trúc của các nucleoside di- và triphosphate Như đã đề cập, mỗi nhóm phosphate (phosphate group) đ ược nối v ới vòng c ủa g ốc đ ường b ằng một liên kết phosphomonoester, và nhiều nhóm phosphate có thể nối nhau thành một dãy b ằng các liên kết phosphoanhydride (hình 2.7). Sự ester hoá ở C 5' có thể đi với mono-, di- hoặc triphosphate (nguyên tử phosphor P được đánh dấu t ương ứng v ới các v ị trí t ừ C 5' hướng ra ngoài là α, β và γ). Các nucleoside 5'-triphosphate là nh ững hợp ch ất cho t ổng h ợp nucleic acid. Hai nhóm hydroxyl cũng có thể được ester hoá bằng cách nối cùng một nhóm phosphate đ ể sinh ra một nucleotide vòng (cyclic nucleotide), ví dụ cAMP là 3'-5'-cyclic phosphate (đóng vai trò t ải nạp tín hiệu, điều hoà dương tính operon lactose; xem chương 6). Bảng 2.1 Danh pháp các nucleoside của RNA và DNA Base Nucleoside (RNA) Deoxynucleoside (DNA)
Purine Adenine Adenosine = A deoxyadenosine = dA Guanine Guanosine = G deoxyguanosine = dG Hypoxanthine* Inosine* =I Không có Pyrimidine Cytosine Cytidine =C deoxycytidine = dC Thường không có Thymine (deoxy)thymidine = dT** Thường không có Uracil Uridine =U Ghi chú: * Đây là dạng hiếm, có mặt trong thành phần của các RNA v ận chuy ển. ** Bởi vì thymine thường không có trong RNA, nên tiếp đầu ngữ "deoxy" ch ỉ cho loại deoxynucleoside này thường được lượt bỏ và gọi tắt là thymidine. Tuy nhiên, trong các RNA v ận chuy ển th ường có ribothymidine chứa đường ribose. (a) (b) Hình 2.7 (a) Cấu trúc chi tiết của các nucleotide adenosine ở ba tr ạng thái mono-, di- và triphosphate; và (b) nicotinamide adenosine diphosphate (NADP).
Nói chung, các nucleotide thường có tính acid mạnh và tan trong nước. Các nucleoside monophosphate được xem là các axit đúng như tên g ọi ph ản ảnh (ví d ụ AMP là adenylic acid hay adenylate); chúng có sự ion hoá sơ cấp với pKa 1-2 và ion hoá th ứ c ấp v ới pKa 6,5-7,0, nh ư sau: -H2PO3 ↔ -HPO3- + H+ ↔ PO3-2 + H+ Tất cả các phosphate của các nucleoside di- và triphosphate đ ều ion hoá, nh ưng ch ỉ nhóm t ận cùng là có ion hoá thứ cấp. Các nucleotide này đều có ái l ực v ới cation hoá tr ị hai nh ư Mg 2++và Ca2++ (chúng tương tác với các nhóm phosphate α và β hoặc β và γ). Cấu trúc của các chuỗi polynucleotide DT PHÂN TỬ Các nucleotide trong DNA hoặc RNA nối với nhau b ằng các m ối liên k ết đ ồng hoá tr ị (covalent) có tên là liên kết 3',5'-phosphodiester giữa gốc đường của nucleotide này với nhóm phosphate của nucleotide kế tiếp, tạo thành chuỗi polynucleotide. Vì vậy các chuỗi này bao giờ cũng được kéo dài theo chiều 5'→3' (đầu 5' mang nhóm phosphate t ự do và đ ầu 3' ch ứa nhóm -OH t ự do). Chúng có bộ khung vững chắc gồm các gốc đường và phosphate xếp luân phiên nhau, còn các base nằm về một bên. Trình tự các base vì vậy đ ược đ ọc theo m ột chi ều xác đ ịnh 5'→3'. Đây là cấu trúc hoá học sơ cấp của DNA và RNA (Hình 2.8 và 2.9). Hình 2.8 Mô hình cấu trúc chuỗi polynucleotide DNA. Ở đây cho thấy các vị trí 5'-phosphate và 3'-hydroxyl cũng như đường deoxyribose và liên kết phosphodiester n ối gi ữa các g ốc đ ường này. Thông thường người ta biểu diễn trình t ự base 5'→3' theo chi ều t ừ trái sang ph ải. Hình 2.8 cho thấy các chuỗi DNA và RNA chỉ khác nhau bởi base U hoặc T và g ốc đ ường trong các nucleotide của chúng. Nếu bỏ qua sự khác biệt về g ốc đ ường, ta có th ể hình dung trình t ự các base của hai chuỗi polynucleotide của DNA và RNA đều sinh tr ưởng theo chi ều t ừ 5' đ ến 3' (5'→3'), như sau: Chuỗi DNA: (5') pApApTpTpCpTpTpApApApTpTpC -OH (3')
Chuỗi RNA: (5') pApApUpUpCpUpUpApApApUpUpC -OH (3') Hình 2.9 Cấu trúc chuỗi polynucleotide của DNA (a) và của RNA (b). Các chuỗi polynucleotide bao giờ cũng được tổng hợp (kéo dài) theo chi ều 5'→3'; chúng có b ộ khung "đường-phosphate" rất vững chắc và trình tự base được viết theo quy ước t ừ trái (đ ầu 5') sang phải (đầu 3') đối với chuỗi DNA ở đây như sau: 5'-...dGdAdCdT..-3', còn đ ối v ới chu ỗi RNA là 5'-...GACU..-3'.
Cần lưu ý rằng, các hợp chất cho polymer hoá là các nucleoside triphosphate, nh ưng các monomer của một nucleic acid là monophosphate. Phản ứng trùng h ợp này đ ược xúc tác b ởi các enzyme tương ứng là DNA- hoặc RNA polymerase và sinh ra các pyrophosphate (có thể xem thêm trong: tái bản DNA và phiên mã ; chương 5 và 6). Các oligonucleotide là những nucleic acid ngắn (nghĩa là có độ dài d ưới 100 nucleotide). Các oligoribonucleotide tồn tại trong tự nhiên và được sử d ụng nh ư là nh ững đoạn mồi (primer) trong tái bản DNA và cho các mục đích khác nhau trong t ế bào (xem ch ương 5). Các oligonucleotide tổng hợp có thể tạo ra bằng sự tổng hợp hoá học và là nguyên li ệu thiết y ếu cho các k ỹ thu ật thí nghiệm [ví dụ như dùng để giải mã di truyền, chương 6; có th ể tham kh ảo thêm các k ỹ thu ật xác định trình tự DNA (DNA sequencing), phản ứng trùng hợp chuỗi bằng polymerase (polymerase chain reaction), lai in situ (in situ hybridization), mẫu dò nucleic acid (nucleic acid probe), lai nucleic acid (nucleic acid hybridization), liệu pháp gene (gene therapy); các chương 3-6]. Các đặc tính hóa lý của các nucleic acid DT PHÂN TỬ 1. Các dạng biến đổi của DNA Mô hình Watson-Crick hay DNA dạng B là cấu trúc phổ biến. Tuy nhiên, sau này người ta còn phát hiện ra nhiều dạng khác: các dạng DNA xoắn phải A, C, D, v.v. và m ột d ạng DNA xo ắn trái duy nhất gọi là DNA-Z. Chúng có một số biến đổi so với DNA-B Đặc điểm của các dạng DNA - A, B, C và Z Dạng Chiều xoắn Số bp/vòng xoắn Đường kính chuỗi xoắn Phải A 11,0 23Ao Phải B 10,0 19Ao Phải C 9,3 19Ao Z Trái 12,0 18Ao 2. Biến tính và hồi tính của DNA Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng, khi tăng nhi ệt độ t ừ t ừ ho ặc khi có m ặt các tác nhân gây mất ổn định như alkali hay formamide, các phân t ử DNA b ị biến tính từng phần (các vùng giàu cặp AT sẽ tách trước, trong khi các vùng giàu c ặp GC v ẫn gi ữ nguyên đ ặc tính xoắn kép). Điều này có thể lý giải là do m ỗi c ặp AT chỉ có hai liên k ết hydro, kém b ền h ơn so với mỗi cặp GC chứa ba liên kết hydro. Khi đun nóng t ừ t ừ dung d ịch ch ứa DNA lên t ới nhi ệt độ gần 100oC, các liên kết hydro của chúng bị phá hủy hoàn toàn và hai s ợi b ổ sung tách ra. Hiện tượng đó gọi là biến tính hoàn toàn (denaturation). Ngược lại, khi làm nguội t ừ t ừ dung d ịch đốt nóng chứa DNA bị biến tính hoàn toàn, các sợi đ ơn th ường c ặp l ại v ới s ợi b ổ sung c ủa chúng và làm phục hồi chuỗi xoắn kép ban đầu. Hi ện t ượng đó đ ược g ọi là hồi tính(renaturation).
Nhiệt độ mà tại đó các sợi DNA bị biến tính hay tách nhau m ột n ửa đ ược g ọi là nhiệt độ nóng chảy (melting temperature), hay Tm. Tm là điểm giữa của pha chuyển tiếp và nó tùy thuộc vào hàm lượng G-C của DNA, nghĩa là đặc trưng cho DNA m ỗi loài. Ví d ụ, DNA c ủa E. coli với 50% G-C thì có Tm là 69oC. Nói chung, hàm lượng GC của một DNA có thể bi ến thiên t ừ 22% ở m ốc nhầy Dictyostelium đến 73% ở Mycobacterium phlei. 1. Cơ sở phân loại acid nucleic Dựa vào sự có mặt của đường ribose và desoxyribose mà người ta chia acid nucleic ra làm hai lớp. - Acid ribonucleic (ARN) - Acid desoxyribonucleic (ADN) Khi nghiên cứu về hai lớp ARN và ADN người ta thấy chúng có một số đi ểm khác bi ệt nh ư sau: ARN ADN - Chủ yếu ở tế bào chất - Chủ yếu ở nhân tế bào - Trọng lượng phân tử: 1 - 2.106 8 - cấu t ạo - Trọng lượng phân tử 2 - 3.104 - 6 Chuỗi kép - cấu tạo Chuỗi đơn - Chứa các gốc kiềm - Chứa các gốc kiềm Adenin (A) Guanin (G) Cytosin - Adenin (A) Guanin (G) Cytosin (C) Thi min (C) Uracin (U) (T) - Đường: Ribose - Đường Desoxyribose - Chức năng sinh học: trực tiếp tham gia quá trình - Chức năng sinh học: mang bản mật mã di tổng hợp protein truyền. 2. Tên gọs ARN, ADN và liên kết hoá học Thành phần hoá học của ARN và ADN Acid nucleic là chất trùng hợp của mononucleotid. Phân tử chứa từ 250 - 350 nucleotid, có loại chứa tới hàng chục vạn mononucleotid. Các mononucleotid nối với nhau qua m ạch liên kết este giữa hydroxyl của carbon thứ 3 của đường pentose với acid phosphoric c ủa mononuleotid bên cạnh.
Acid nucleic đóng vai trò trong di truyền của động và thực vật, nó đóng vai trò ch ủ ch ốt trong việc sinh tổng hợp protein. Sau đây chúng ta sẽ đi sâu nghiên cứu từng loại acid nucleic 3. Acid desoxyribonucleic (ADN) Dựa vào số liệu nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ tia Rơn-ghen và những s ố liệu hoá lý khác người ta đi đến kết luận rằng ARN chỉ có cấu trúc chuỗi đơn, còn ADN có c ấu trúc chuỗi kép (tức là do hai chuỗi polynuleotid kết hợp với nhau theo kiểu xoắn thừng). 3.1. Quy luật bổ sung gốc kiềm (qui luật Chagaff) Khi phân tích định tính và định lượng ADN, Chagaff và các c ộng s ự c ủa ông đã rút ra đ ược k ết luận sau: - Hàm lượng tính theo một của Adenin bằng Thi min và Guanin b ằng Cytosin. - Từ nhận xét (l) và (2) rút ra: tổng số gốc kiềm purin bằng tổng s ố gốc ki ềm pyrimidin. A + G =T+C Về mặt hoá học: hàm lượng nhóm 6 - quan bằng hàm l ượng nhóm 6 - xe ton. Từ ba kết luận trên đây Chagaff đã rút ra được qui luật b ổ sung g ốc ki ềm nh ư sau: Trong đi ều kiện sinh lý bình thường, hai chuỗi nucleotid khi t ạo ra xoắn kép s ẽ l ược ổn đ ịnh quanh nhau bằng các lực liên kết thông qua các bazơ.
- Trong quá trình liên kết các bazơ của hai chuỗi đối diện thì một chuỗi s ẽ góp baz ơ phun, chu ỗi kia sẽ góp bazơ pyrimidin, các bazơ liên kết với nhau bằng liên kết pydrogen, xuất hi ện gi ữa m ột số vị trí nhất định ở hai bazơ đối xứng, đó là vị trí: Nl của ph ần với Nl c ủa pyrimidin C2 c ủa ph ần với C2 của pyrimidin C6 của phần với C6 của pyriưúdin - Liên kết hydrogen muốn xuất hiện phải thoả mãn hai điều kiện: + Có một nguyên tử hydro mang điện tích (+) nằm giữa hai nguyên t ử mang đi ện tích (-). + Khoảng cách giữa các nguyên tử mang điện tích (-) nằm trong khoảng 2 - 4 A0. Tức là liên kết hydrogen chỉ có thể xuất hiện giữa các cặp bazơ chọn lọc đối xứng: Adenin với Thi min ; Guanin với Cvtosin 3.2. Mô hình xoắn ADN Dựa trên các kết quả nghiên cứu cho phép Crick và Watson đ ề ra cấu tạo mô hình xoắn ADN vào năm 1953. Mô hình này đã được kiểm tra lại trên cơ sở
những thí nghiệm về tia Rơn-ghen tinh vi hơn bởi Willkins và cộng sự của ông. Chính vì có những đóng góp đó nên Crick, Watson và Wilkins đã được giải thưởng Nobel 1962. Theo Crick và Watson thì ADN gồm hai dây polynucleotid với cực trái d ấu nhau cuộn xo ắn v ới nhau xung quanh cùng một trục và tạo thành vòng xoắn đôi. Các bazơ nằm trong vòng xoắn thành từng cặp: pyrimidin trên một dây và phần trên dây đ ối xứng và ngược lại. Chỉ một số cặp bazơ nhất định phù hợp: A đi với T; G đi với C (liên kết hydrogen). - 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 3.3. Vai trò sinh học của ADN Ngày nay trong sinh học, đặc biệt là trong sinh hoá học và vi sinh học, người ta đã thu đ ược nhiều tài li ệu ch ứng t ỏ r ằng ADN là cơ sở cấu trúc của nhiễm sắc thể mang tính thông tin di truyền. Người ta thấy ADN trong tế bào thân lớn gấp đôi ADN t ế bào mầm. Thứ tự sắp xếp của 4 gốc kiềm trên polynucleotid có tác dụng như mật mã di truyền. Khi cần tái tạo, một dây nucleotid, dây xoắn đôi tách ra, liên kết hydro bị đứt, mỗi dây nguyên thuỷ được dùng như một khuôn mẫu để tổng hợp dây mới theo qui luật bổ sung gốc kiềm 4. Acid ribonucleic (ARN) ARN được coi là chất tham gia trực tiếp vào các phản ứng t ổng h ợp protein. Loại này thường tập trung ở tế bào chất (chủ yếu ở bào tương) một số ở nhân. Chúng thường ở dạng chuỗi búi chỉ rối. ARN trong tế bào chia làm 3 loại: 4.1. ARN thông tin: Ký hiệu m - ARN im - messenger - người đưa tin) Trọng l ượng phân t ử của loại này từ 0,5 - 1,106, chiếm 3 - 4% tổng số ARN, chúng đ ược t ổng h ợp ở nhân t ế bào trên khuôn của phân tử ADN đây là khuôn thứ cấp.
Nhiệm vụ của m - ARN mang bản mật mã di truyền hình thành ở nhân s ẽ chui qua màng nhân ra tế bào chất và tiến tới vị trí tổng hợp protein ở ribosom, ở đó nó s ẽ làm khuôn m ẫu đ ể t ổng hợp nên protein. 4.2. ARN vận chuyển: Ký hiệu t - ARN (t - transfer - vận chuyển) t - ARN thường ở trạng thái hoà tan trong tế bào, chiếm khoảng 15% tổng số ARN. Trọng lượng phân tử thấp khoảng 2 - 3 vạn, gồm khoảng 60 - 100 nucleotit, gi ữ ch ức năng v ận chuyển acid amin hoạt hoá từ tế bào chất đến các ribosom. Một t - ARN ch ỉ v ận chuy ển đ ặc hiệu một acid amin tương ứng với nó. Cấu tạo: gồm một chuỗi polynucleotit gấp khúc l ại giống nh ư hình lá c ỏ ba thùy, có nh ững đo ạn xoắn kép theo qui tắc bổ sung gốc kiềm: A-U; G-X. ở một đầu chuỗi có 3 g ốc ki ềm t ự do, các acid amin sẽ được gắn vào 3 gốc kiềm đó để được chở vào vị trí t ổng h ợp protein ở ribosom. Có 20 loại t - ARN tương ứng với 20 acid amin. Các acid amin s ẽ k ết h ợp v ới t- ARN t ương ứng của luôm, tạo thành từng luồng đi vào vị trí tổng h ợp protein mà th ứ t ự s ắp x ếp c ủa các acid amin trong mạch peptid thì đã được m - ARN qui định trước. 4.3. ARN ribosom: Ký hiệu r .ARN Trọng lượng phân tử loại này rất cao 1 - 2 triệu, chiếm trên 80% tổng số ARN. Một ribosom là một hạt nucleoproteid mà phần acid nucleic là ARN. Đường kính của ribosom khoảng 200A0. Sự tập hợp của chừng vài chục ngàn đại phân tử đó sẽ tạo thành một nhà máy vi mô vững chắc, có tổ chức hoàn hảo, có đủ khả năng đọc bản mật mã di truyền trong mạch mARN và thực hiện thông tin đó ở dạng một phân t ử protein đã chu ẩn b ị s ẵn và có c ấu trúc đặc hiệu.
Các DNA mạch vòng sợi kép và sợi đơn DT PHÂN TỬ Kể từ sau khám phá quan trọng của Watson và Crick, cho đ ến nay không nh ững đã phát hi ện thêm các dạng DNA xoắn phải và xoắn trái, mà trên th ực t ế còn có các b ộ gene đ ược t ổ ch ức theo những thể thức khác, đó là: DNA sợi kép dạng vòng có mặt ở hầu hết các bộ gene prokaryote, b ộ gene m ột s ố virus và b ộ gene tế bào chất của các tế bào eukaryote (các phân tử DNA ty th ể và l ạp th ể); DNA sợi đơn vòng của một số virus ký sinh ở vi khuẩn; và bộ gene RNA của nhiều virus ký sinh ở các thực vật và động vật. Đáng kể là các virus RNA gây ung th ư, HIV/AIDS và các virus thu ộc h ọ corona gây viêm phổi cấp (SARS) với nhiều biến thể có khả năng lây lan sang nhi ều v ật ch ủ khác nhau và có nguy cơ làm xuất hiện nạn đại dịch trên phạm vi toàn cầu hiện nay. * Thảo luận thêm về các bậc cấu trúc của các nucleic acid: 1- Cấu trúc bậc một của nucleic acid là các chuỗi polynucleotide; 2- Cấu trúc bậc hai của các nucleic acid được sinh ra bởi hai loại tương tác không ph ải đ ồng hoá trị: sự kết cặp base (base pairing) và sự co cụm base (base stacking). Sự kết cặp base liên quan với các liên kết hydro và là lực chiếm ưu th ế khi ến cho các s ợi nucleic acid k ết h ợp v ới nhau, nhưng cấu trúc được giữ ổn định bằng các tương tác hydrophobic gi ữa các base k ề sát nhau mang lại bằng các điện tử pi (p) trong các vòng. Các m ối tương tác p-p này được mô tả như là các lực kéo co cụm base. Cấu trúc bậc hai của DNA đ ược đ ặc tr ưng b ằng s ự k ết c ặp base giữa các phân tử để sinh ra các phân tử sợi kép hay s ợi đôi (double-stranded or duplex; ký hiệu là dsDNA). Các cấu trúc bậc hai trong RNA, vốn tồn t ại nguyên thuỷ ở dạng s ợi đ ơn (single-stranded form), nói chung phản ảnh các mối t ương tác base nội trong phân t ử. * Trong cấu trúc của các chuỗi xoắn kép DNA, quan trọng nh ất là s ự kết cặp base bổ sung (complementary base pairing) A-T và G-C. Các cặp base Watson-Cricknày (Watson-Crick base pairs) tạo thành cơ sở của hầu hết các tương tác cấu trúc b ậc hai trong các nucleic acid, cũng như giải thích cho các quy t ắc Chargaff, và chúng đ ồng th ời xác định cách thức DNA có thể hoạt động như là cái khuôn cho tái bản và phiên mã... Trong RNA, uracil thay th ế cho thymine, nhưng vì uracil có cấu trúc hoá học tương t ự với thymine và hình thành các liên k ết hydro với adenine y như thế, cả hai nucleic acid lai theo cùng các quy t ắc chung. Tuy nhiên, vì các mối tương tác này có mặt khắp nơi, nên có những sơ đ ồ k ết c ặp base bi ến đ ổi đôi chút so với các kiểu kết cặp Watson-Crick; chúng đóng các vai trò quan tr ọng trong vi ệc hình thành các cấu trúc bậc hai và bậc ba. * Cho đến nay, bên cạnh các cặp base Watson-Crick chi ếm ưu thế trong các c ấu trúc và ch ức năng của các nucleic acid, người ta thấy có 28 cách sắp xếp khả dĩ c ủa ít nh ất hai liên k ết hydro giữa các base; điều này cung cấp cơ sở cho m ột nhóm đa d ạng các t ương tác. Có ý nghĩa đáng kể nhất trong số các cấu hình biến đổi này là các cặp base Hoogsteen (Hoogsteen base pairs), vốn góp phần vào cấu trúc bậc ba của tRNA và cho phép hình thành các chu ỗi xo ắn ba (triple helices). Một sự sửa đổi so với các cặp base Watson-Crick là các cặp linh hoạt (wobble pairs). * Về các cấu hình chuỗi xoắn và tính mềm dẻo cục bộ trong cấu trúc DNA : Bên cạnh cấu trúc DNA sợi kép (dsDNA) dạng B phổ biến do Watson và Crick đ ưa ra năm 1953, còn có các d ạng biến đổi khác như đã đề cập ở trên. Một đặc đi ểm khác nữa đó là tính mềm dẻo cục bộ (local flexibility) trong cấu trúc DNA. Nhiều thực nghi ệm đã cho th ấy r ằng DNA d ạng B đ ặc bi ệt m ềm dẻo linh hoạt, nó không tồn tại ở các dạng có cấu hình c ứng nh ắc mà có th ể thay đ ổi m ột cách uyển chuyển giữa các cấu hình khác nhau do các hi ện t ượng đa hình c ục b ộ gây ra, ch ẳng h ạn