1

CHƢƠNG IV: NUCLEIC ACID

2

NỘI DUNG• I. KHÁI NIỆM

– 1.1. Sơ đồ phân giải nucleic acid

– 1.2. Các loại nucleic acid trong tế bào• II. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC ACID NUCLEIC

– 2.1. Các base

– 2.2. Đƣờng pentose

– 2.3. Nucleoside

– 2.4. Nucleotide• III. CẤU TRÚC CỦA NUCLEIC ACID

– 3.1. Cấu trúc của DNA

– 3.3. Cấu trúc của RNA• IV. SINH TỔNG HỢP NUCLEIC ACID

• V. SỰ PHÂN GiẢI NUCLEIC ACID

3

I. KHÁI NIỆM VỀ ACID NUCLEIC

• 1.1. Định nghĩa

– Sinh học: acid nucleic v/chất mang thông

tin di truyền và là những tác nhân tham gia

thực hiện các thông tin di truyền này (biểu

hiện gen).

– Hoá học: acid nucleic polymer hợp thành

từ những đ/vị c/tạo là các nucleotide. Mỗi pt

AN có thể coi là một polynucleotide với số

lượng đ/vị c/tạo khác nhau.

• 1.2. Thành phần hóa học của nucleic acid

1.2. Thành phần hóa học của nucleic acid

4

Nucleic acid (DNA, RNA)

Mononucleotide

Deoxyribonuclease

Ribonuclease

Nucleotidase

H3PO4NucleosideNucleosidase

Base nitơ Pentose

Pyrimidine Purine

Deoxyribose (ở DNA)

Ribose (ở RNA)

- Adenine

- Guanine

- Cytosine

- Uracil

- Thymine

5

Từ một NST, qt thuỷ phân có thể diễn ra lần lƣợt nhƣ sau:

NUCLEOPROTEIN

Histone, Protamin Acid nucleic (ADN)

Nucleotide

H3PO4Nucleoside

Deoxyribose Các kiềm NitơAdenine

Guanine

Cytosine

Tymine

(Protein)

1.2. Thành phần hóa học của nucleic acid

6

Nucleic acid

Base nito

Pentose

Phosphate

1.2.1. Các gốc base nito

Base nito

Purine

Uracil

Cytosine

Thymine

Pyrimidine

Guanine

Adenine

7

8

1.2.1. Các gốc base nito

1.2.1. Các gốc base nito

Base nito

RNA

Uracil

Guanine

Cytosine

Adenine

DNA

Guanine

Adenine

Cytosine

Thymine

9

10

Trong nucleic acid : thường gặp 5 base thuộc 2 loại purine và

pyrimidine:

Lấy chữ cái đầu của mỗi base làm kí hiệu:

A – adenin G – guanine

C – cytosine U - uracil T - thymine

RNA

DNA

RNA, DNA

11

1.2.2. Đƣờng pentose

-D-ribose (trong RNA) -D-deoxyribose (trong DNA)

Để phân biệt C của base và đường, đánh dấu phẩy cho số C

của pentose.

12

2.3. NUCLEOSIDE • Hợp thành từ một base và một đường pentose qua liên

kết glycoside:

– Giữa N9 trong purine và C1' của pentose

– Giữa N1 trong pyrimidine C1' của pentose.

Các nucleoside được gọi tên tương ứng như bảng:

Base với D-ribose với D-deoxyribose

Adenine Adenosine (A) Deoxyadenosine (dA)

Guanine Guanosine (G) Deoxyguanosine (dG)

Uracil Uridine (U) -

Cytosine Cytidine (C) Deoxycytidine (dC)

Thymine - Deoxythymidine

(dT)

13

14

15

2.4. NUCLEOTIDE

• Nucleotide là este phosphoric của nucleoside

• Đơn vị cấu tạo cơ bản của acid nucleic

– Chứa 3 thành phần:

• Base nito

• Đường pentose (5C)

• Phosphate

16

17

Tên các base, nucleoside và

nucleotide tương ứng

18

Tên các base, nucleoside và nucleotide tƣơng ứng

19

20

Trong acid nucleic, các nucleotide có 1 gốc phosphate

Các nucleotide tự do trong TB có thể có 1, 2 hoặc 3

phosphate

III. CẤU TẠO CỦA NUCLEIC ACID

• 3.1. Cấu tạo của DNA

• Được tạo thành từ 2 mạch polynucleotide.

Mỗi mạch gồm rất nhiều

deoxymononucleotide:

– dAMP

– dGMP

– dCMP

– dTMP

21

22

3.1.1. Cấu trúc bậc I của nucleic acid

• 3.1.1.1. Khái niệm

– Là cấu trúc của chuỗi polynucleotide, trong

đó các nucleotide liên kết với nhau bằng lk

phosphodiester.

• 3.1.1.2. Đặc điểm của cấu trúc bậc I

– Các nucleotide nối với nhau bằng liên kết

3',5„ phosphodiester:

• Lk được hình thành giữa thông qua gốc phosphate

nối giữa C3' của nucleotide trước với C5' của

nucleotide tiếp theo.

23

- Chuỗi được tạo ra bởi

sự nối lần lượt phosphate

- đường - phosphate -

đường -, ….

- Các gốc base gắn với

đường nhưng 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.

• Các nucleotide liên kết với nhau theo một

số lượng và trình tự nhất định

– Số lượng: từ vài chục – hàng triệu nucleotide

– Trình tự sắp xếp các base trong chuỗi: : là

nền tảng cho vai trò thông tin di truyền của

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

24

3.1.2. Cấu trúc bậc II của nucleic acid

• 3.1.2.1. Khái niệm

• Cấu trúc bậc II của DNA là sự xoắn lại với

nhau của 2 mạch polynucleotide.

• Cấu trúc bậc II của RNA là sự xoắn lại với

nhau của một số đoạn dọc theo chuỗi

polynucleotide (nếu như có các base bổ

sung cho nhau tạo được liên kết hydro)

25

• 3.1.2.2. Các qui luật Chargaff

• Trong DNA:

– A=T, G = C

– purin = pyrimidin: A+G =C+T

• Tỷ lệ (A+T)/(G+C) thay đổi theo giống loài

• Trong một giống loài, thành phần các base của

DNA ổn định:

– không bị ảnh hưởng từ nguồn lấy mẫu

– không thay đổi do tuổi, môi trường sống…

• Các cơ thể có quan hệ huyết thống có các base

giống nhau

26

3.1.2.3. Mô hình xoắn kép DNA của Jame

Watson và Francis Crick, 1953

27

3.1.2.3. Mô hình xoắn kép DNA của Jame

Watson và Francis Crick, 1953

28

• Hai chuỗi đi ngược chiều và song song qua một trục

chính:

– R của phân tử bằng 10A°

– Một ch/kỳ xoắn dài 34A°, với 10 cặp base, xếp

vuông góc với trục chính.

• Vành xoắn tạo bởi các ptử 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 lk hydrogen.

• Hai chuỗi quấn vào nhau và tạo ở mặt ngoài pt DNA

hai rãnh:

– rãnh lớn (rãnh sâu)

– rãnh nhỏ (rãnh nông)29

Hệ quả của mô hình Watson-Crick

30

– Trong xoắn kép DNA chỉ có 2 cặp base thỏa

mãn đầy đủ các điều kiện:

• Adenine - Thymine (A=T)

• Guanine - Cytosine (G C).

– Hai base purin (A, G) không thể kết đôi vì

quá to, ngược lại 2 base pyrimidin (C, T) lại

quá bé, lk 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).

31

Lk hydro

1

29

6

81

3

4 5

Giữa A và T có hai liên kết hydro (N1- N3, C6- C4),

32

Liên kết hydro

6

1

29

123

4

7

4

Giữa G và C có 3 l/kết hydro (N1-N3, C2-C2 và C6-C4)

Ý nghĩa nguyên tắc bổ sung gốc kiềm

• Thông qua nguyên tắc bổ sung gốc base, những quy

luật Chargaff được sáng tỏ.

• Trình tự các base trên chuỗi này sẽ tự động qui định

trình tự các base chuỗi kia

• Chi phối và điều khiển chặt chẽ những quá trình then

chốt trong giới SV:

– nhân đôi DNA (replication)

– sao chép mã dt (transcription)

– phiên dịch mã (translation).

• Kĩ thuật di truyền, công nghệ gen, vv… đều dựa trên

nguyên tắc nền tảng này.

33

34

3.2. Các loại nucleic acid trong tế bào

• 3.2.1. Sự khác biệt giữa Desoxyribonucleic acid

(DNA) và Ribonucleic acid (RNA)

DNA RNA

Đường desosyribose Đường ribose

Chủ yếu tồn tại trong nhân

tế bào

Chủ yếu là ở tế bào chất

Cấu tạo dạng chuỗi xoắn

kép, lưu trữ thông tin di

truyền

Cấu tạo dạng chuỗi đơn,

trực tiếp tham gia quá trình

sinh tổng hợp pr

Chứa các gốc kiềm: A,T,G,C Chứa các gốc kiềm: A,U,G,C

35

3.2.2. Các hình thức phân tử DNA trong tế bào

• Có hai dạng pt xoắn kép DNA:

– Xoắn kép mở, như một sợi dây thừng, có hai đầu

mút, dạng phổ biến của DNA ở Eucaryotes,

• VD: các NST.

– Xoắn kép vòng, phân tử không có đầu và cuối,

vòng tròn khép kín;

• VD: DNA ở: VSV; trong chất nền ty thể, lục lạp ở đv và tv

bậc cao.

• DNA x/kép vòng thường không k/hợp với protein.

– VD: E. coli chứa một pt DNA x/kép vòng, không gắn

histon, bản thân vòng lại xoắn nhiều tầng vào nhau

thành s/xoắn rất chắc gọn, ph/bố tại vùng nhân (nuclear

zone) của bào tương.

3.3. Cấu trúc của RNA

36

RNA

m- RNA

(2-4%)

t- RNA

(15%)

r-RNA

(80%)

RNA nhân

RNA hn

• 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.

• Cấu trúc bậc nhất của RNA là số lượng và trình

tự s.xếp của các mononucleotide trong mạch

polynucleotide

• Khi chuỗi RNA cuộn gấp, nếu có những gốc

base A - U, G - C tiến đến gần nhau, giữa chúng

cũng có lk hydro và nếu đoạn đủ dài sẽ có

những xoắn kép (cấu trúc bậc 2) xuất hiện dọc

phân tử.

37

38

– RNA thông tin: 2- 4%, tổng số các RNA của TB.

– Là kq của qtrình schép gien DNA, chính là bản sao đoạn mã DT,

được dùng tr/tiếp trong STH protein ở ribosom.

– Ở Eucaryotes, mỗi m- RNA chỉ mã cho một protein (hoặc một

chuỗi polypetide).

3.3.1. RNA thông tin (m-RNA = messenger RNA)

39

3.3.2. RNA ribosom (rRNA: ribosomal RNA)

• RNA ribosom: khoảng 80% tổng số các RNA của TB.

• Ribosom có 2 hạ đ/vị (tiểu phần) gắn với nhaumột cách linh hoạt.

• Kích thước của ribosom b/động, tuỳ loại TB:

– Procaryotes thường gặp loại ribosom 70S (gồm 2 hạ đ/vị 30S và 50S) với TLPT khoảng 2,5.106 D

– Eucaryotes, ribosom lớn hơn: 80S (gồm hai hạ đơn vị 40S và 60S), với khối lượng phân tử từ 3,9 –4,5.106 D.

40

41

3.3.3. RNA vận chuyển (t.RNA)

• Mỗi aa được gắn vào t.RNA riêng của mình để có thể

tìm đúng vị trí thứ tự trên mã của m. RNA trong hệ thống

ribosom.

• Cấu tạo: có cấu trúc bậc 2 dạng cỏ ba lá (cloverleaf

structure) vì một số gốc base b/sung nhau tạo lkết

hydrogen.

42

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 hoặc C, đuôi 3‟ bao giờ cũng

là C-C-A. Aminoaxyl được gắn

vào vị trí 3‟.OH của A.

Nhánh D: ở phần vòng

không xoắn kép có chứa

dihydrouridine, phần xoắn

kép do 3 hoặc 4 cặp kiềm

b/sung cho nhau tạo nên.

Nhánh anticodon: phần vòng

mang bộ ba nucleotid đối mã

(giúp việc gắn đặc hiệu lên codon

ở m.ARN), 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 kiềm b/sung tạo nên.

IV. SINH TỔNG HỢP ACID NUCLEIC

Sinh tổng hợp nucleotide dạng purine

Sinh tổng hợp nucleotide dạng pyrimidine

Sinh tổng hợp các deoxyribonucleotide

Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

Sinh tổng hợp DNA (tái bản DNA - Replication)

Sinh tổng hợp RNA (phiên mã -Transcription)

43

4.1.Sinh tổng hợp nucleotide dạng purine

• 4.1.1. Nguyên liệu• Phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP)

• Nguồn gốc của N và C trong vòng purine

44N amide của glutamine

Bước 2: thêm ng/tử từ Gly.

Một ATP được s/dụng để h/

hóa nhóm carboxyl của Gly

(dưới dạng acylphosphate)

để th.gia p.ư ngưng tụ

Bước 1: PRPP biến thành

-5-phosphoribosylamine

(PRA). Glutamine là chất

cho nhóm NH2. Có sự thay

đổi cấu hình: lk -glycoside

thành -glycoside

Bước 3: Nhóm amine của Gly

được formyl hóa bởi N10-FTHF

Bước 4: N được gắn thêm nhờ

glutamine

Bước (5): loại nước, tạo vòng

imidazole của nhân purine, hình thành

5-aminoimidazole ribonucleotide (AIR)

- Đã có 3 trong 6 ng/tử trong

vòng thứ 2 của nhân purine.

- Bước (6) và (7) chỉ có ở vi

khuẩn và nấm.

- Ở eukaryote (kể cả người),

5-aminoimidazole

ribonucleotide là SP của bước

(5) được carboxyl hóa tr/tiếp

(1 bước) thành

carboxylaminoimidazole

nucleotide (6a), nhờ AIR

carboxylase xt.

Asp cho nhóm amine qua 2

bước (8) và (9): hình thành 1

lk amide.

Bộ khung C của Asp g/ph

dưới dạng fumarate (9).

Carbon cuối cùng được N10-FTHF cung cấp (10).

Khép kín, tạo vòng thứ 2 của nhânpurine (11).

SPTG tạo thành là IMP (Inosinate)

Sinh tổng hợp AMP và GMP từ IMP

Oxy hoá IMP thành

xanthylate (XMP)Thay thế oxy của C = O

bởi nhóm NH2 (glutamine

là chất cho NH2 khi có

mặt ATP.

Thay thế O trong C = O

nhờ nhóm -NH2 (từ

aspartate).

SPTG là adenylosuccinate

4.2.Sinh tổng hợp nucleotide dạng pyrimidine

• 4.2.1.Nguyên liệu:

– Carbamoyl Phosphate-nguyên liệu khởi đầu

– Aspartate

– Phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP)

52

Tổng hợp pyrimidine nucleotides UTP và CTP từ

carbamoyl phosphate, aspartate và PRPP.

4.3.Sinh tổng hợp các deoxyribonucleotide

• 4.3.1.Nguyên liệu:

– Là các ribonucleotide

– Các ribonucleotide được khử trực tiếp tại C2'-

của D-ribose 2'-deoxyribonucleotide.

– Quá trình này cần một cặp H, do protein

mang H trung gian (thioredoxin) cung cấp.

54

4.4.Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

• 4.3.1.Nguyên liệu:

– Thymidylate được hình thành từ dCDP và

dUMP

– Tiền chất trung gian của thymidylate (dTMP)

là dUMP

– dUTP chuyển thành dUMP nhờ dUTPase

56

4.4.Sinh tổng hợp các nucleotide thymidine

57

58

DHF

THF

4.5. Sinh tổng hợp DNA

• 4.5.1. Điều kiện cần thiết để tổng hợp DNA

– Có đủ 4 loại dNTP: dATP, dGTP, dCTP và dTTP

– Có các loại DNA-polymerase:

• E. coli: DNA-polymerase I - loại các RNA mồi

(RNA primer)

» DNA-polymerase II - sửa chữa các sai sót

trong quá trình tái bản

» DNA-polymerase III - gắn các

mononucleotide vào đầu 3‟ – OH

– Phải có DNA làm khuôn

59

60

dAMP

dTMP

dGMP

dCMP

n

DNA

polymerase

DNA làm khuôndAMP

dTMP

dGMP

dCMP

n+1

+ n PPi

DNA mồi

+ dNTP

DNA được kéo dài

Phương trình tóm tắt

Sinh tổng hợp DNA

Giai đoạn mở đầu

Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn hoàn thiện

mạch kế tiếp

61

http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.html

Giai đoạn mở đầu

• Ở E.coli:

– Trình tự nucleotide gắn đặc hiệu với các

protein mở đầu

– Tổng hợp RNA mồi (RNA primer) để DNA-

polymerase III gắn dần các mononnucletide

vào đầu 3‟ – OH

62

Giai đoạn mở đầu

* Bước 1: Ph/hợp 10 – 20

ph/tử Dna A-protein và ATP

gắn vào trình tự mở đầu với

4 trình tự lặp lại. Sau đó các

protein kiềm tính gắn vào

vùng với 3 trình tự lặp lại.

Ph/hợp này tạo đk để DNA

mở xoắn một phần.

* Bước 2: Với sự th/gia của

Dna C protein, Dna B Helicase

gắn vào 2 mạch DNA, mở

xoắn DNA.

* Bước 3: Dna G Primase gắn

vào và t/hợp RNA mồi. Khi có

RNA mồi, qt t/hợp 2 mạch DNA

bắt đầu

Giai đoạn tổng hợp

• Chẽ ba tái bản hình thành:

– DNA-Polymerase III trượt trên hai mạch DNA và gắn

các deoxyribonucleotide vào đầu 3‟-OH.

– Mạch hướng (leading strand) được t.hợp liên tục theo

hướng 5‟-3‟.

– Mạch kế tiếp (lagging strand) được t.hợp dưới dạng

các đoạn ngắn Okazaki (1000-2000 mononucleotide)

bắt đầu bằng các RNA mồi

64

Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn hoàn thiện mạch kế tiếp

• DNA-Polymerase I với hoạt tính 3‟-

exonuclease RNA mồi được cắt bỏ.

• DNA-Polymerase III tổng hợp lấp đầy các

khoảng trống.

• DNA Ligase gắn các đoạn lại với nhau tạo

thành mạch kế tiếp của DNA liên tục

67

4.6. Sinh tổng hợp RNA

• 4.6.1. Điều kiện cần thiết để tổng hợp RNA

– Có đủ 4 loại NTP: ATP, GTP, CTP và UTP

– Có các loại RNA-polymerase :

– Phải có DNA làm khuôn

69

70

AMP

TMP

GMP

CMP

n

RNA

polymerase

DNA làm khuônAMP

TMP

GMP

CMP

n+1

+ n PPi

DNA mồi

+ NTP

RNA được kéo dài

Phương trình tóm tắt

71

Phiên mã mRNA

Giai đoạn mở đầu

Giai đoạn tổng hợp

Giai đoạn kết thúc

72

http://www.johnkyrk.com/DNAtranscription.html

Giai đoạn mở đầu

• RNA-Polymerase hoạt động gắn vào DNA và trượt tự do

trên DNA.

• Khi gặp trình tự mở đầu RNA-Polymerase tạo với gen

khởi động (Promoter) phức hợp Promoter “đóng” trong

đó DNA chưa mở xoắn.

• Sau đó phức hợp Promoter “đóng” chuyển sang dạng

phức hợp Promoter “mở” trong đó DNA được cởi xoắn.

• Phức hợp này gắn pppPu vào và quá trình tổng hợp bắt

đầu.

74

Giai đoạn tổng hợp

• Trên khuôn của mạch DNA, RNA-

Polymerase gắn các gốc mononucleotide

ATP, GTP, CTP, và UTP.

• Khi tạo ra đoạn oligonucleotide khoảng 8

nucleotide, tiểu đơn vị được tách ra khỏi

phức hợp, RNA-Polymerase trong “phồng”

phiên mã (transcription buble) tiếp tục xúc

tác phản ứng tổng hợp mạch

polynucleotide75

Giai đoạn kết thúc

• Cách 1: Cần sự tham gia của yếu tố kết

thúc - yếu tố (Rho).

– Yếu tố gắn vào phức hợp DNA-RNA-

Polymerase và trượt về phía 3‟ của mạch

polynucleotide tổng hợp giảm sự tương tác

giữa DNA khuôn và polynucleotide phân ly

phức hợp:

• Giải phóng DNA

• RNA mới tổng hợp

• RNA-Polymerase.

76

Giai đoạn kết thúc

• Cách 2: Qúa trình phiên mã kết thúc khi mạch

polynucleotide hình thành cấu trúc kiểu cặp tóc.

– Phức hợp sẽ bị phân ly: giải phóng RNA mới tổng

hợp, DNA và RNA polymerase.

• Các RNA mởi tổng hợp nằm ở dạng tiền RNA, chưa có

hoạt tính sinh học.

• mRNA được bảo vệ khỏi bị thuỷ phân nhờ việc gắn “mữ”

ở đầu 5‟-OH và gắn đuôi poly A vào đầu 3‟-OH.

• Các tRNA, rRNA được hình thành từ tiền RNA nhờ tác

dụng thuỷ phân của các enzyme đặc hiệu.

78

V. PHÂN GIẢI CÁC NUCLEIC ACID

79

DNA

RNAMononuceleotide

PurineUric acid

Allantoin

PyrimidineUre

Amoniac

Tổng hơp nucleic acid

Nuclease Phosphatase

Nucleosidase

Sự phân giải các purine nucleotide