HÓA HỌC NUCLEOTIDE VÀ ACID NUCLEIC: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

nhathuocngocanh – Bài viết HÓA HỌC NUCLEOTIDE VÀ ACID NUCLEIC: CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

ĐẠI CƯƠNG

– Nucleotide có nhiều vai trò trong tế bào:

+ Đơn vị cấu tạo acid nucleic, là các phân tử có chức năng lưu trữ thông tin di truyền (acid deoxyribonucleic (ADN) và acid ribonucleic (ARN)).

+ Tham gia cấu trúc nhiều coeznym.

+ Chất cung cấp nhóm phosphate (ATP, GTP), đường (UDP, GTP-đường) và lipid (CDP-acylglycerol).

+ Điều hòa hoạt động tế bào với vai trò chất dẫn truyền thông tin thứ hai (cAMP, cGMP), các chất kiểm soát phospho oxy hóa,…

Ứng dụng trong hóa trị: Các chất tổng hợp tương tự purine và pyrimidine chứa các halogen, thiol hoặc nitrogen dùng để chống ung thư, chống AIDS, ức chế đáp ứng miễn dịch trong ghép tạng.

NUCLEOTID

Gồm 3 thành phần:

1 base nitơ.

+ 1 đường pentose.

+ 1 gốc phosphate.

Base nitơ là dẫn xuất từ pyrimidin và purine (2 hợp chất vòng).

ADN và ARN chứa 2 loại base purine chính và 2 loại base pyrimidine chính.

+ 2 loại base purine chính có ở cả ADN và ARN là adenine (A) và guanine (G).

+ 1 loại base pyrimidine chính có ở cả ADN và ARN là cytosine (C).

+ Ở ADN có thymine (T), còn ở ARN là uracil (U).

Trong vòng purine và pyrimidine, các nguyên tử C và N được đánh số thứ tự 1,2, 3, 4,…

Có 2 loại đường pentose trong cấu tạo acid nucleic là :

+ Đường ribose (D-ribose): Có trong cấu tạo ARN.

+ Đường deoxyribose (2′-deoxy-D-ribose): Có trong cấu tạo ADN, là 1 ribose thiếu 1 OH ở C số 2′.

Để phân biệt với nguyên tử của base nitơ, C trong đường pentose được đánh số’ 1′, 2′, 3′,.

Base nitơ liên kết với đường pentose bằng cầu nối N-0- glycosyl:

+ Pyrimidine tạo liên kết ở N1-C1′ của đường pentose.

+ Purine tạo liên kết ở N9-C1′ của đường pentose.

Đơn vị cấu tạo gồm có base nitơ kết hợp đường pentose được gọi là nucleoside.

– Tùy theo sự kết hợp giữa các loại đường pentose và base nitơ khác nhau mà ta có các loại nucleotide khác nhau.

Ngoài ra, trong ADN và ARN còn có 1 số loại base ít gặp:

+ Trong ADN: Các dạng base hiếm thường là dạng methyl của các base phổ biến, thường có vai trò điều hòa và bảo vệ thông tin di truyền.

+ Trong ARN: Có nhiều loại base ít gặp, nhất là trong ARN vận chuyển.

ACID NUCLEIC

Thực chất là chuỗi do các đơn vị nucleotid liên kết với nhau nhờ liên kết phosphodiester (là liên kết giữa nhóm 5′-phosphate của 1 nucleotid với nhóm 3′-hydroxyl của nucleotid kế tiếp).

Liên kết giữa phosphate và pentose được xem như trục xương sống của phân tử, còn base nitơ được xem như nhánh bên.

Hydroxyl của đường pentose tạo cầu hydro với nước => ADN và ARN có tính nước.

Nhóm phosphate có pKa gần 0, tích điện ở pH = 7 => ADN và ARN tích điện âm.

Các liên kết phosphodiester trong chuỗi có cùng hướng => Mỗi chuỗi acid nucleic có 2 đầu tận là đầu 5′ (có gốc phosphate tự do) và đầu 3′ (có gốc -OH tự do).

Trình tự chuỗi acid nucleic từ đầu 5′ bên trái đến đầu 3′ bên phải (hướng 5′-3′).

1 đoạn ngắn acid nucleic (50 nucleotid) gọi là oligonucleotid, dài hơn gọi là polynucleotid.

Acid nucleic gồm 2 loại là ADN và ARN:

+ Trong ADN: Nucleotid chứa đường 2′-deoxyribose, base pyrimidine phổ biến là thynine và cytosine.

+ Trong ARN: Nucleotid chứa đường ribose, base pyrimidine phổ biến là uracil và cytosine.

Cả 2 đều có chung 2 loại base purine phổ biến là adenine và guanine.

ADN

Được Waston và Crick khám phá năm 1953, là thành tựu quan trọng của khoa học.

Dựa trên cơ sở khám phá => Có được những hiểu biết về việc lưu trữ và sử dụng thông tin di truyền của tế bào hiện nay.

ADN chứa thông tin di truyền

Những nghiên cứu có hệ thống đầu tiên về hóa học của nhân tế bào do Friedrich Miescher thực hiện.

Từ năm 1868, ông đã phân lập thành phần chứa phospho từ nhân tế bào bạch cầu mà ông gọi là “nuclein”, chứa thành phần acid (sau này là ADN).

Miescher và các nhà nghiên cứu tin rằng nuclein liên quan đến sự di truyền tế bào.

Năm 1944, Osward T. Avery, Colin MacLeod và Martin McCarty chứng minh rằng ADN có tính di truyền qua thực nghiệm độc tính chủng S. pneumoniae lên chuột, khi lấy ADN từ chủng có độc lực chuyển cho chủng không độc => Chủng không độc trở thành dạng có độc lực => ADN từ chủng độc lực mang thông tin di truyền cho độc lực VK.

Các phân tử ADN khác nhau về thành phần base

– Vào cuối những năm 1940, Erwin Chargaff và cộng sự sau nhiều công trình nghiên cứu trên nhiều loài vật, đã đưa ra những kết luận quan trọng về cấu trúc ADN: + Thành phần base của ADN khác nhau giữa các loài.

+ Mẫu ADN phân lập từ các mô khác nhau trong cùng loài thì có thành phần base giống nhau.

+ Thành phần base của 1 loài là hằng định theo tuổi, tình trạng dinh dưỡng và môi trường.

+ Trong ADN thì A = T và G = C = > A + G = T + C (quy luật Chargaff), là chìa khóa thiết lập cấu trúc 3 chiều của ADN, giúp tìm hiểu về cách thông tin di truyền được mã hóa trong ADN và truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

ADN là chuỗi xoắn đôi

Năm 1953, dựa vào dữ liệu nghiên cứu trước đó, Waston và Crick hệ thống lại và đưa ra mô hình cấu trúc không gian 3 chiều của phân tử ADN.

Phân tử gồm 2 chuỗi ADN xoắn quanh 1 trục, tạo nên chuỗi xoắn kép theo chiều phải.

Trục ưa nước cấu tạo bởi các nhóm deoxyribose và phosphate nằm bên ngoài, tương tác với môi trường nước xung quanh.

– Base purine và pyrimidine thì không ưa nước và nằm bên trong 2 chuỗi.

Base chuỗi này liên kết cùng 1 mặt phẳng với base chuỗi kia bằng liên kết hydro theo quy luật Chargaff (quy luật bổ sung): A=T (2 liên kết hydro), GeC (3 liên kết hydro) => Tách chuỗi ADN nhiều GeC sẽ khó hơn tách chuỗi nhiều A=T.

2 chuỗi ADN xoắn đôi đối song, mỗi cặp base cách nhau 3,4 A^o.

Khoảng cách mỗi vòng xoắn là 34 A^o (10 cặp base, theo đề nghị của Waston và Crick khi nghiên cứu nhiễu xạ tia X với sợi thô ADN).

Trong môi trường nước, cấu trúc hơi khác bình thường (cấu trúc sợi) và mỗi vòng xoắn có 10,5 đôi base.

Thông tin di truyền trong chuỗi xoắn đôi ADN chỉ nằm trên 1 trong 2 chuỗi đơn, chuỗi này được gọi là chuỗi khuôn mẫu hay chuỗi không mã hóa.

Trong khi đó, chuỗi còn lại gọi là chuỗi mã hóa vì có trình tự nucleotid tương tự với trình tự của chuỗi ARN thông tin (mRNA).

Thông tin di truyền trong ADN nhằm:

+ Tạo Pr đáp ứng nhu cầu tế bào và cơ thể = > Tổng hợp mRNA.

+ Truyền lại cho thế hệ sau (tế bào con, cá thể con,..) => Nhân đôi.

ADN có thể có các dạng câu trúc 3 chiều khác nhau

– Sự quay vòng đáng kể của ADN có thể xảy ra quanh các liên kết trong trục đường – phosphate

(phosphodeoxyribose) do ADN là 1 phân tử rất linh hoạt.

Sự dao động về nhiệt độ có thể uốn cong, kéo dãn và tách rời các cặp base trong 2 chuỗi ADN.

Trong ADN tế bào vẫn có nhiều cấu trúc khác biệt so với cấu trúc của Waston-Crick (B-ADN), nhưng vẫn tuân theo các quy tắc:

+ Bổ sung: A=T, G=C.

+ Liên kết: A=T, GeC.

Dạng B-ADN là dạng cấu trúc ổn định nhất cho 1 phân tử ADN bất kỳ trong điều kiện sinh lý => Đây là dạng tiêu chuẩn cho những nghiên cứu về ADN.

– Hai dạng cấu trúc khác được tìm hiểu rõ là dạng A và dạng Z.

Đặc điểm	Dạng A	Dạng B	Dạng Z
Chiều xoắn	Phải	Phải	Trái
Đường kính	~26 Ao	~20 Ao	~18 Ao
Số’ đôi base trong 1 vòng xoắn	11	10,5	12
Khoảng cách giữa các đôi base trong phân tử	2,6 Ao	3,4 Ao	3,7 Ao

Một số trình tự ADN có cấu trúc ít gặp

• Một số trình tự ADN có thể làm cho ADN mang cấu trúc khác biệt, ảnh hưởng đến chức năng và chuyển hóa của đoạn ADN lân cận, VD:

Cấu trúc gập góc:

• Khi có 1 chuỗi > 4 đơn vị A liên tiếp trên 1 mạch.
• 6 adenosine trong 1 hàng tạo 1 góc gập khoảng 18^o => Quan trọng trong việc gắn Pr vào ADN.

Cấu trúc đối xứng (palindrome):

Là trình tự base thường gặp, đối xứng nhau ở 2 chuỗi.

Cấu trúc kẹp tóc (hairpin) hay hình chữ thập (cruciform):

• Là các trình tự có thể tự bổ sung trong cùng 1 mạch.
• Các cấu trúc ít gặp này có 3 (thậm chí là 4) chuỗi, đóng vai trò quan trọng trong khởi phát hay điều hòa hoạt động chuyển hóa ADN (phân đôi, tái tổ hợp, sao chép).

ARN

Là 1 dạng chủ yếu thứ hai của acid nucleic trong tế bào, có nhiều loại, mang các chức năng khác nhau trong tế bào.

Là polymer của các purine và pyrimidine ribonucleotide nối với nhau bằng liên kết 3′,5′-phosphodiester giống như phân tử ADN.

Được tổng hợp theo nguyên tắc bổ sung từ chuỗi khuôn mẫu trong ADN.

1 số điểm khác biệt giữa ARN với ADN:

+ Phân tử đường là ribose thay vì là 2′-deoxyribose.

+ Base pyrimidine của ARN không có thymine mà là uracil.

+ ARN tồn tại ở dạng mạch đơn, có thể tạo mạch nối (dạng kẹp tóc) bằng sự tự bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung giữa các nucleotide trong chuỗi.

+ Tỷ lệ G và C, A và U trong ARN không nhất thiết phải bằng nhau.

Trong tế’ bào có nhiều loại ARN, nhưng 3 loại có tỷ trọng lớn nhất là ARN thông tin, ARN ribosome và ARN vận chuyển.

Cả 3 loại này đều tham gia quá trình sinh tổng hợp Pr: + ARN thông tin: Chứa thông tin di truyền của gen (ADN) trong trình tự chuỗi ribonucleotide.

+ ARN ribosome: Tham gia tạo cấu trúc ribosome.

+ ARN vận chuyển: Vận chuyển amino acid tự do đến nơi tổng hợp Pr.

• ARN là bước trung gian để chuyển thông tin di truyền từ ADN (cơ sở vật chất di truyền) đến Pr (ở các loài ĐV có vú như con người).
• Ở 1 số loại virus, cơ sở vật chất di truyền là ARN => Chứa enzyme có khả năng tổng hợp ADN từ khuôn mẫu ARN.

ARN thông tin (mRNA)

• Thành phần ARN của tế bào mang thông tin di truyền mã hóa cho trình tự acid amin trong chuỗi polypeptide.
• Quá trình tạo mRNA từ ADN khuôn mẫu gọi là sao mã.

• mRNA có phần đầu 5′ được biến đổi (được gắn thêm 1 phân tử 7- methylguanosine triphosphate) và có phần đuôi được gắn thêm chuỗi polyA.
• 2 tính chất này là cơ chế bảo vệ và hoạt động mặc định mà tế bào dành cho hầu hết các phân tử mRNA.
• Trong tế bào nhân sơ (prokaryote), 1 mRNA có thể mã hóa 1 hoặc vài chuỗi polypeptide.
• Trong tế bào nhân thực (eukaryote), 1 loại mRNA thường chỉ mã hóa 1 loại chuỗi polypeptide.
• Ở tế bào nhân thực, mRNA mới được tổng hợp gọi là mRNA sơ khai (nguyên thủy), có chiều dài bằng ADN và có những đoạn mang exon (thông tin mã hóa chuỗi polypeptide) và intron (không mang thông tin mã hóa).
• Các sợi mRNA sơ khai này sẽ được cắt bỏ intron thành mRNA trưởng thành, ra ngoài bào tương và làm khuôn cho việc tổng hợp chuỗi polypeptide.

ARN ribosome (rRNA)

• Là thành phần cấu tạo nên ribosome, 1 bộ máy tổng hợp acid amin của tế bào.
• Ở VK có các loại rRNA là 16S, 23S và 5S, bắt nguồn từ rRNA nguyên thủy 30S có ~6500 nucleotide.
• Ở tế bào nhân thực, từ rRNA sơ khai 45S sẽ tạo ra rRNA 18S, 28S và 5,8S.

ARN vận chuyển (tRNA)

– tRNA đọc thông tin di truyền trên mRNA và vận chuyển acid amin thích hợp cho quá trình

tổng hợp Pr.

• tRNA có chiều dài 74-95 nucleotide, đa số tế bào có 40-50 loại tRNA khác nhau, ít nhất 1 loại (thường là nhiều) vận chuyển 1 loại acid amin trong số 20 acid amin tham gia cấu tạo Pr.
• Tuy khác nhau nhưng mỗi tRNA đều có đặc điểm chung như sau:

+ Cấu trúc bậc 1 phân tử tRNA có nhiều đoạn có khả năng bắt cặp bổ sung để tạo cấu trúc bậc 2 (hình cỏ 3 lá).

+ Cấu trúc bậc 2 phân tử tRNA có 4 nhánh (cánh tay) chính là nhánh tiếp cận (gắn phân tử acid amin), nhánh D, nhánh T^C, nhánh mang bộ ba đối mã và 1 nhánh phụ.

CHỨC NĂNG KHÁC CỦA NUCLEOTIDE

– Ngoài vai trò là đơn vị cấu tạo acid nucleic, nucleotide còn có các chức năng khác như:

Mang NL hóa học trong tế bào (nucleoside phosphate):

• 1 ribonucleoside có thể gắn thêm 1, 2 hay 3 gốc phosphate vào 5′-OH để tạo thành mono-, di- hay triphosphate.
• Thủy phân nucleoside triphosphate sẽ cung cấp NL cho nhiều phản ứng trong tế bào.

– Adenosine 5′-triphosphate (ATP) là nguồn cung cấp NL phổ biến nhất, nhưng trong 1 vài phản ứng UTP, GTP và CTP cũng cung cấp NL.

Là thành phần của nhiều enzyme cofactor (adenine nucleotide):

VD: Coenzyme A (CoA),

Một vài nucleotide là những phân tử điều hòa:

• Tế bào đáp ứng với môi trường thông qua tín hiệu hormone hay tín hiệu hóa học bên ngoài.
• Khi có tương tác giữa tín hiệu bên ngoài với thụ thể bề mặt tế bào (tín hiệu thứ nhất), tế bào thường sẽ tạo ra tín hiệu thứ hai để đưa đến đáp ứng trong tế bào.
• Các tín hiệu truyền tin thứ hai thường là nucleotide, trong đó phổ biến nhất là adenosine 3′, 5′ -cyclic monophosphate (cAMP/AMP vòng).

MỘT SỐ KIẾN THỨC NGOÀI LỀ KHÁC

• Như đã biết, mononucleotide là những nucleoside gắn
  thêm nhóm phosphate qua cầu nối ester với 1 nhóm OH trên phân tử đường ở vị trí 3′ hoặc 5′. Do đại đa số’ nucleotide là 5′- nucleotide, tiếp đầu ngữ 5′ được bỏ đi, VD: UMP, dAMP,…
• Các nhóm phosphate thêm được gắn vào nhóm phosphate trước đó qua cầu nối acid anhydride.
• 1 số purine và pyrimidine trong DNA và RNA là 5- methylcytosine, 5-hydroxylmethylcytosine, mono- và di-N- methyladenine hoặc guanine,. có vai trò “đánh dấu” các đoạn nucleotide, thúc đẩy sự gắn kết đặc hiệu.
• Hypoxathine, xanthine và acid uric là các sản phẩm chuyển hóa của adenine và guanine.

Xem thêm: Hóa học Hemoglobin: Cấu tạo, tính chất, các bệnh di truyền Hemoglobin