1
BÀI GIẢNG SINH HÓA HỌC
PHẦN I – SINH HÓA HỌC TĨNH
Chương IV- NUCLEIC ACID
TP.HỒ CHÍ MINH-2008
PGS,TS.NGUYEÃN PHÖÔÙC NHUAÄN Chương IV- NUCLEIC ACID
1. Đại cương2. Cấu tạo
- Mononucleotide- Polynucleotide - Cấu trúc sơ cấp củanucleic acid
3. Phân loại- DNA : cấu tạo - đặc tính – vai trò- RNA : cấu tạo và vai trò của mRNA, tRNA, rRNA & snRNA
MỤC TIÊU
1. Phân bit đ� c c�u t�o c�a nucleoside, nucleotide và nucleic acid.
2. Vi�t đ� c công th"c c�a ribose, deoxyribose, các base purine, pyrimidine v)i các d�ng enol (lactim) và ketone (lactam) c�achúng.
3. Vi�t đ� c c�u t�o và vai trò c�a m0t s1 nucleotide t2 do nh�cAMP, ATP …
4. Trình bày đ� c c�u trúc c�a DNA và RNA và nh<ng đi=m khácbit v> c�u trúc c�a 2 lo�i phân t? này. N@m đ� c quy luBt bCsung các đôi base.
5. Nêu đ� c vai trò sinh hFc c�a DNA và tGng lo�i RNA.
6. Caùc kieåu lieân keát trong phaân töû nucleic acid : LK glycosidic,
LK este, LK phosphodiester, LH hydrogen.
1. ĐẠI CƯƠNG
• Nucleus = nhân ; nucleic acid : acid lần đầu tiên
được tìm thấy trong nhân tế bào→→→→ acid nhân
• NUCLEIC ACID là các phân tử sinh học chứa
thông tin di truyền, chúng được hình thành từ các
nucleotide polymers, hiện diện trong mọi tế bào, ở
dạng tự do hay kết hợp với protein →→→→
nucleoprotein
2
Chức năng
• Bảo tồn mật mã thông tin di truyền;
• Tham gia qúa trình sinh tổng hợp protein.
NUCLEOPROTEIN
PROTEIN ĐƠN GIẢN(Histone)
NUCLEIC ACID(Polynucleotide)
MONONUCLEOTIDE
CÁC BASE :- Purine : Adenine (A)
Guanine (G)- Pyrimidine :
Uracil (U)Cytosine (C)Thymine (T)
PENTOSE :Ribose
Deoxyribose
H3PO4
Nucleoside
2. CẤU TẠO
2.1. MONONUCLEOTIDE
� Thành phần nucleotide
Base – pentose – acid phosphoric
� Base – pentose →→→→ nucleoside
Danh pháp nucleoside (B.4.1, T.78)
� Nucleoside + phosphate →→→→ nucleotide
Danh pháp nucleotide
(nucleoside monophosphate) (B.4.2, T.79)
3N
N 1
2 4 9NH
7N
NH2
H2N
O
Guanine - dạng ketone(2-amino 6-oxy purine)
56
8
PURINEN
N
2NH
N 6
N
HN
2NH
N 6
Adenine (A)(6-amino purine)
H2N
O H
Guanine (G)- dạng enol(2-amino 6-oxy purine)
N
N
2NH
N 6
3
1N
N 3
2
45
6
PYRIMIDINE
NH
N
2
4
O
NH2
NH
HN
2
4
O
CH35
O
NH
HN
2
4
O
5
O
Cytosine (C)(2 oxy- 4 amino pyrimidine)
Thymine (T)(2,4 dioxy-5 methyl pyrimindine)
Uracil (U)(2,4 dioxy pyrimindine)
ββββ-D-Deoxyribose
HOCH2 OH
OH
H1’
5’
2’3
4
H
ββββ-D-Ribose
HOCH2 OH
OH
H1’
5’
2’3’
4’
OH
OHO = P – OH
OH
Acid phosphoric
THÀNH LẬP NUCLEOSIDE và NUCLEOTIDE
� N9 PURINE (A, G) – C1’ PENTOSE (ββββ-D-Ribose ββββ-D-deoxyribose)
� N1 PYRIMIDINE (U, C, T) – C1’ PENTOSE
(ββββ-D- Ribose ββββ-D-deoxyribose)
→→→→ p/ứng khử nước tạo liên kết ββββ-glycosidiccủa NUCLEOSIDE
� C5’ nucleoside + gốc (P)→→→→ NUCLEOTIDE
→→→→ p/ứng khử nước tạo liên kết ester
NH2
N 2
N
N 6 N
2
4
O
NH2
HOCH2
H
OH
H1’
5’
2’3’
4’
OH
HOCH2
H
OH
H1’
5’
2’3’
4’
H
9N 1
1
3
N 1
N
76
2
5
48
NUCLEOSIDE
Adenosine(Adenine ribonucleoside)
Deoxycytidine(Cytosine deoxyribonucleoside)
5
6
3
LK ββββ-glycosidic
4
Deoxyadenosine
Deoxyguanosine
Deoxyuridine
Deoxycytidine
Deoxythymidine
Adenosine
Guanosine
Uridine
Cytidine
Thymine ribonucleoside
hay Ribothymidine (hieám)
Adenine
Guanine
Uracil
Cytosine
Thymine
DeoxyribonucleosideRibonucleosideBase
DANH PHÁP NUCLEOSIDE (B.4.1, T.78) NUCLEOTIDES
Nitrogenousbase
Sugar: pentose
Phosphate group
NUCLEOTIDE
NH2
N 2
N
N 6
HO-P- O- CH2
H
OH
H
1’
5’
2’3’
4’
OH
9
1
3
N 1
N
76
2
5
48
NH2
N 2
N
N 6
O CH2
H
O=P
H
1’
5’
2’3’
4’
OH
9
1
3
N 1
N
76
2
5
48
OH
OH
Adenosine-5’-monophosphate(AMP) (acid adenilic)
Adenosine-5’3’-monophosphate cyclic
(cAMP3’5’)
OOH
LK ester
• NUCLEOSIDE : Gốc base – pentose
LK glycosidic
• NUCLEOTIDE : Gốc base – pentose – H2PO3
LK glycosidic LK ester
• NUCLEIC ACID : polynucleotides
LK phosphodiester
5
NH2
N 2
N
N 6
HO- P∼∼∼∼ O- P ∼∼∼∼ O - P- O- CH2
H
OH
H
1’
5’
2’3’
4’
OH
9
1
3
N 1
N
76
2
5
48
O
OH
Adenosine-5’- Triphosphate (ATP)Adenosine-5’- Diphosphate (ADP)Adenosine-5’- Monophosphate (AMP)
OO
OH OH
NUCLEOSIDE TRIPHOSPHATE DANH PHÁP NUCLEOTIDE (B.4.2, T.79)
Deoxythymidine5’-monophosphate = dTMP
Thymine ribonucleoside5’-monophosphate (hieám)
Thymine
Deoxycytidine5’-monophosphate = dCMP
Cytidine 5’-monophosphate = CMP
Cytosine
Deoxyuridine5’-monophosphate = dUMP
Uridine 5’-monophosphate = UMP
Uracil
Deoxyguanosine5’-monophosphate = dGMP
Guanosine5’-monophosphate = GMP
Guanine
Deoxyadenosine5’-monophosphate = dAMP
Adenosine 5’-monophosphate = AMP
Adenine
Deoxyribonucleoside5’-monophosphate
Ribonucleoside5’-monophosphate
Base
2.2. CẤU TRÚC SƠ CẤP CỦA NUCLEIC ACID
Cấu trúc chuỗi polynucleotide :
• Các mononucleotide nối với nhau bởi liên kếtphosphodiester 3’ – 5’→→→→ tạo thành chuỗipolynucleotide.
• Khung polynucleotide : các đường pentose vàgốc (P) nối với nhau tạo thành xương sống củapolynucleotide, các gốc base phân bố quanhkhung này.
Tính đặc trưng sinh học của phân tử acid nucleic do trật tự các gốc base trong chuỗipolynucleotide (trong cấu trúc sơ cấp) quyếtđịnh. 20
Dinucleotide
� Lieân keátphosphodiester
3’→ 5’
OHO=P-OH
OCH2
5’P
3’OH
A
C
3’
5’
6
Cấu trúc củapolydeoxyribonucleotide
LK phosphodiester nối hai
monophosphate nucleotides với nhau.
LK phosphodiester rất linh hoạt →→→→ cho
phép poly(deoxy)ribonucleotide quay tự
do một góc nhất định.
Polynucleotides có 2 đầu xác định :
- Đầu 5 ’-P mang một hoặc nhiều hơn các gốc phosphate,
- Đầu 3 ’-OH.
Đầu 5’-P
Phosphodiester bond
Phosphodiester bond
Đầu 3’-OH
3. PHÂN LOẠI
T/g TH proteinBảo tồn MM TTDTChức năng
104 – 106 dalton106 – 108 daltonPtt
TBC (90%)Nhân (gần 100%)Khu trú
Chuỗi đơnChuỗi képCấu tạo
U G C AT G C ACác base
ββββ-D-Riboseββββ-D-deoxyriboseĐường
RNA
(Ribo Nucleic Acid
DNA
(Deoxyribo Nucleic Acid
7
3.1. DNA
� CẤU TẠO
Mô hình Crick-Watson (1953) : 3 đặc tính quantrọng
. Xoắn kép : Hai chuỗi polynucleotide xoắn kép,
. Đối song : một sợi hướng 5’→→→→ 3’ (trên xuống) sợi kia 3’→→→→ 5’ (dưới lên)
. Bổ sung : Purine (G) ……… Pyrimidine (c)
Pyrimidine (T) …. Purine (A)
Watson and Crick, 1953
Discovery of the DNA molecule structure
DNA = nucleotide polymersFour types of nucleotides: A, T, C and G
Deoxyribo Nucleic Acid
4 NUCLEOTIDES CỦA DNA
Các mẫu tự thật sự có ý nghĩa như sau :
A = nucleotide với adenine T = nucleotide với thymine
C = nucleotide với cytosine G = nucleotide với guanine
8
Z-DNA(xoắn trái)
B-DNA(Xoắnphải)
� Xoắn kép� Đốisong
Quy taéc boå sung caùc goác base trong caáu truùc xoắnkeùp cuûa DNA : C G : 3 liên kết H
T A : 2 liên kết H
1 bước xoắn có 10 cặp base, 1 cặp dày 3,4A0
→→→→ 1 bước xoắn dày 34 A0
Hai sợi xoắn bổ sung→→→→ bảo vệ TTDT, cấu trúc bền
9
CAÙC DAÏNG CAÁU TRUÙC CUÛA PHAÂN TÖÛ DNA
� Xoaén keùp môû (double strand – ds) : phoå bieán ôûngöôøi, ñoäng vaät, thöïc vaät→ eukaryotic cells
� Xoaén keùp voøng : ñaëc tröng cho vi sinh vaät→prokaryotic cells.
� Moät chuoãi ñôn (single strand – ss) : Caù bieät ôû thöïckhuaån theå X174 DNA
� Plasmid : DNA voøng nhoû, chöùa moät ít gene, lieân heätôùi moät vaøi ñaëc tính cuûa VSV (naèm ngoaøi chuoãi DNA chính).
DNA DAÏNG VOØNG TRONG TY THEÅ
Maõ hoùa caùc t RNA, r RNA, caùc enzyme cuûa
chuoãi oxid hoùa-phosphoryl hoùa thaønh laäpATP
DNA DAÏNG VOØNG
SIEÂU XOAÉN CUÛA
VI KHUAÅN
Plasmid : DNA vòng nằm ngoài NST của vi khuẩn, mang các gene kháng thuốc
TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA DNA
�DNA có khả năng tự tách đôi và tái bản nhân đôitheo nguyên tắc bán bảo thủ→→→→ bMo toàn đNy đ�TTDT khi t� bào phân chia.
�DNA có khả năng sao mã, tổng hợp nên các p/tmRNA tương tự chúng (theo nguyên tắc bổ sung, thay T trên DNA bằng U trên mRNA) →→→→ TTDT đ� c sao chép chính xác từ DNA sang khuôn thứcấp mRNA, mRNA trực tiếp làm khuôn mẫu t/hprotein ở ribosome →→→→ TTDT mã hoá trong nhânđược biểu thị thành các tính trạng của sinh vật.
10
Söï taùi baûn DNA ôû eukaryote Sao cheùp mRNA theo nguyeân taéc boå sung caùc goác base
� CHỨC NĂNG CỦA DNA
Di truyền học đã xác định trong hầu hết các sinh vật
DNA giữ vai trò bảo tồn và truyền đạt TTDT từ thế hệ
này sang thế hệ khác (trong phân bào đẳng nhiễm và
phân bào giảm nhiễm). Chỉ ở một số loài virus chức
năng này được đảm nhận bởi RNA.
TTDT từ DNA →→→→ enzyme →→→→ E kiểm soát các đặc điểm
cơ bản của quá trình TĐC →→→→ biểu hiện các tính trạng của
sinh vật.
� Mỗi bộ ba nucleotide (triplet-codon) mã hóa một AA. 4 loạigốc base →→→→ 64 codon (3 codon vô nghĩa : UAG, UAA & UGA)
CÁC KHÁI NIỆM CẦN LƯU Ý
• Nucleosome?
• Chromosome?
• Chromatine?
• Gene?
• Genetic code?
• Chromatide?
11
Tế bào người chứa 46 phân tử DNA
Mỗi phân tử DNA quấn quanh các phân tử proteins(histones) và tạo ra một chromosome.
DNA
Histones
Toàn bộchromosomes tạo thành chromatine
Một chromosome = mộtphân tử DNA
liên kết với các proteins
Từng ñoạn DNA (khoaûng 200 bp) ñöôïc ñoùng goùi laïi baèng caùchquaán quanh loõi caùc histone . Sôïi NST gioáng nhö moät chuoãi caùc
nucleosome.
Nhieãm saéc thể (Chromosome)
Mỗi tế bào người (ngoại trừ tế bào mầm) chứa bộ đôi của23 chromosomes→→→→ 46 chromosomes /tế bào.
Trong mỗi cặp chromosome, một cái từ người cha vàmột cái từ người mẹ
Từ cha
Chromosomes
Từ mẹ
12
Genome Comparison
ORGANISM CHROMOSOMES GENOME SIZE GENES
Homo sapiens(Humans)
23 3,200,000,000 ~ 30,000
Mus musculus(Mouse)
20 2,600,000,000 ~30,000
Drosophila melanogaster(Fruit Fly)
4 180,000,000 ~18,000
Saccharomycescerevisiae(Yeast)
16 14,000,000 ~6,000
Zea mays (Corn) 10 2,400,000,000 ???
CẤU TRÚC GENE
M0t gene bao gTm trình t2 nucleotides c�a DNA
ch"a thông tin di truy>n cNn thi�t cho s2
tCng h p m0t p/t ribonucleic acid hoVc m0t p/t protein.
Như vậy :
- Một gene có thể mã hóa cho sự tổng hợp một protein.
- Một gene cũng có thể mã hóa cho sự tổng hợp một
rRNA hay tRNA (có hàng ngàn gene tồn tại trong
genome).
Gene = đoạn DNA sao chép thành RNA
MÃ DI TRUYMÃ DI TRUYỀỀN (N ( THE GENETIC CODE)
DNA = Thông tin mã hóa
= Mã di truyền
Mã (Code) = tạo ra sựtương ứng của mộtnhóm tính trạng haysomething else.
Translation
Folding
Double strand DNAMatrix strand
Genetic code
Messenger RNA
Bases complementarity
Protein
Protein
S i sense
S i antisense (template)
13
The genetic code (giải mã giữa 1960 và 1964)
Có 64 tổ hợp (triplets = codons) mã hóa cho 20 amino acids.
Code dư thừa (thoái hóa) : tất cả các amino acid
ngoại trừ methionine và tryptophan được mã hóa hơn
một codon.
Ba triplets không mã hóa, chấm dứt tổng hợp
protein : « STOP codon » (UAA, UAG & UGA).
Codon AUG (mã hóa Met) : « INITIATION
codon »
BAÛNG MAÕ DI TRUYEÀN
Dictinctive codons of human mitochondria
StopArgAGG
StopArgAGA
MetMetAUG
MetIleAUA
TrpTrpUGG
TrpStopUGA
Mitochondrial code
Standard
code
Codon Dựa theo chức năng, ribonucleic acids được phân thành :
3.2.3.2. RIBONUCLEIC ACID (RNA)
- rRNA = ribosomic RiboNucleic Acid, là một hợp phần của cấu
trúc ribosomes ;
- tRNA = transfer RiboNucleic Acid, vận chuyển amino acid đã
được hoạt hóa để tổng hợp protein.
- mRNA = messenger RiboNucleic Acid , là sản phẩm của sự sao
chép gene, chúng mang thông tin để dịch ra protein.
- snRNA (small nuclear RiboNucleic Acid)
14
DNA
Pre-mRNA
snRNA
mRNA
rRNA
tRNA
PROTEIN
Lyù thuyeát trung taâm cuûa sinh hoïc phaân töû
(2)
(1)
(3)
Những điểm khác nhaucủa RNA so với DNA:
• Nucleotide sugar = ribose
• Thymine (T) thay thế bởiUracyl (U)(U bắt cặp với A)
• Một chuỗi đơn nucleotide
• Phân tử ngắn hơn và kémbền hơn DNA
� mRNA (m = messenger : người đưa thư) : là bảnsao TTDT từ DNA (nên gọi là khuôn thứ cấp) : saochép theo nguyên tắc bổ sung :
Base DNA sense : T A C G
Base DNA template : A T G C
Base trên mRNA : U A C G
- mRNA trực tiếp làm khuôn mẫu để tổng hợpprotein ở ribosome
- Đời sống ngắn : ở VK chỉ vài phút, ở eukaryote : vài ngày.
- Mỗi bản mRNA có thể được đọc nhiều lần.
15
� T-RNA (t = transfer - vận chuyển)
• Phân tử có kích thước trung bình khoảng 100 nucleotide.
• Cấu trúc là một chuỗi polynucleotide cuộn gậpbổ sung, bắt cặp, tạo hình lá chẻ ba. Nhữngvùng không bắt cặp tạo thành các nút lồi (loop)với các chức năng khác nhau.
• Có 61 codon mã hóa 20 loại AA, nhưng khôngcần tới 61 tRNA, đó là do sự bắt cặp lỏng lẻogiữa anticodon-tRNA và codon-mRNA (hiệntượng Wobble)
Höõu nhuõ : 22 tRNA ty theå32 tRNA teà baøo chaát
t.RNA
Giống nhau ở tất cả các t RNA
Anticodon I/U,C,A codon• mRNA-Gly
• GGU• GGC• GGA• GGG
• tRNA-Gly• CCI
• I = Inosine (Hypoxanthine-ribose)Höõu nhuõ : 22 tRNA ty theå
32 tRNA teà baøo chaát
Wobble
A,U , C
A, G
U,
C
GUCodon
IUGCAAnti-codon
3’5’ � r-RNA• Là RNA của ribosome. Chúng kết hợp với protein tạo thành
ribosome, là nơi đọc MM TTDT và thực hiện qúa trình tổng hợp
protein.
• Prokaryote :
R70S = R30S (1 rRNA 16S + 21 protein)
R50S (2 rRNA : 5S và 23S + 34 protein)
(S = Svedberg : đơn vị đo tốc độ lắng, 1S = 10 -13 giaây .
HS laéng tyû leä vôùi toác ñoä laéng cuûa p/t trong tröôøng ly taâm vaø tyû leä vôùi
kích thöôùc vaø hình daïng cuûa p/töû)
� Eukaryote :
R80S = R40S (1 rRNA 18S + 33 protein)
R60S (3 rRNA : 5S, 5.8 S và 28S + 45 protein)
16
Ribosome - R40S (R30S) : gaén vôùi mRNA- R60S (R50S) : Aminoacyl site (A site) : tieáp nhaän AA
Peptidyl site (P site) : chöùa chuoãi peptide
CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT Ở VIRUS
• Vài virus chứa DNA sợi đơn : macrophage φφφφX174 (virus nhiễm vào E.coli)
• Vài virus chứa RNA là vật liệu di truyền : virus khảm thuốc lá, virus gây cảm lạnh, virus cúm.
• Một số virus RNA sao chép ngược qua trunggian DNA →→→→ Retrovirus :
HIV (Humam Immunodeficiency Virus) gây bệnhAIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome) là một điển hình.
VIẾT CHUYÊN ĐỀ
• Hãy tìm hiểu veà virus cúm gà (avian influenza virus) H5N1: • - Caáu truùc cuûa influenza virion?• - Influenza virus naèm trong nhoùm naøo cuûa baûng
phaân loaïi virus?• - Genome cuûa influenza virus? • - Caùch sinh saûn?• - Con ñöôøng truyeàn laây?• - Caùc bieän phaùp haïn cheá thieät haïi khi dòch buøng noå?
17