Chương I NHỮNG KIÊN THỪC cơ BẢN CHUNG A. THÁNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC ACID NUCLEIC Nucleotid là những hợp chất sinh học tham gia vào nhiều quá trình chuyến hóa của tê bào. Chúng là phương tiện dự trữ và vận chuyển năng lượng, là sự đáp ứng hóa học của tê bào đối vởi các hormon và các chất kích thích ở khoảng gian bào, là thành phần cấu trúc cúa các coenzym hay các chất chuyển hóa trung gian, Song điều quan trọng nhất phải kể đến là nucleotid chính là thành phần cấu tạo nên các acid nucleic: deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), cơ sở vật chất của thông tin di truyền. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA ACID NUCLEIC Câu trúc hóa học của acid nucleic được Phoebus Levine và Alexander Todd đưa ra trong những năm đầu của nhũng năm 50 của thế kỷ trước.
Acid nucleic là các chuôi polymer thang (phô biến) của nucleotid nôi với nhau bằng cầu nối phosphat ở vị trí 3’ và 5’ của hai phân tử đưòng liên tiếp. NH, 0—p —ũ — 0 đầur Hình 1. Thành phẩn và mõ hình cấu trúc của dinucleotid (adenyl-3’, 5'-cytidyl-3','- phosphat (ACp)) 9 oil OH Ribonucleotid D e oxynb onucle otid Hình 1. Cấu trúc hóa học của ribonucleotid và deoxyribonucleotid Các gốc phosphat của chuỗi polynucleotid và các nhóm phosphodieste là các gốc acid, chính vì vậy mà ở pH sinh lý, acid nucleic là những chuỗi anion.
Phân tử DNA là chuỗi xoắn kép, có lượng cân bằng các gốc adenin và thymin (A = T) cũng như guanin và cytosin (G = C). Phân tử RNA thường là chuỗi xoắn đơn, ngoại trừ RNA cúa một số virus có cấu trúc xoắn kép. Trong khi đó, DNA của một sô' virus lại có cấu trúc xoắn đơn. Tuy nhiên, khi các phân tử DNA này xâm nhập vào trong tế bào chủ và nhân lên, nó sẽ hình thành cấu trúc xoắn kép.
Một số DNA và RNA có chứa các dẫn xuất của các base, đặc biệt là trong các vi sinh vật. Đó là các dần xuất methyl hóa, các dẫn xuất này được tạo ra bỏi các enzym đặc hiệu. RNA dễ dàng bị thủy phân trong môi trường kiềm đê tạo ra một hỗn hợp các 2’ và 3’ nucleotid trong khi DNA vì không có nhóm 2’-OH nên bền vững trong môi trường kiêm và do vậy phân tử DNA rất bên vững so với RNA. Base 3 ’ Câu nỗi glycosidic OH - ribose H = deoxyribose nucleosid —i -nucleotide monophosphate —j nucleotide diphosphate.
! L--------------------- -------------- nucleotide triphosphate---------j Cylosin Uracil Thymin Hình 1. Thành phẩn, tên gọi các base nitd, nucleosid và nucleotid Nucleotid là este phosphat của đường pentose, trong đó base mtơ liên kiêt với Cj của đường. Trong ribonucleotid, đường pentose là D-ribose, còn trong deoxyribonucleotid (hay còn gọi là deoxynucleotid) có trong DNA thì lại là 2’- io deoxy-D-ribose. Gốc phosphat có thê gắn ỏ vị trí C3- hoặc C5 của nguyên tử đương đê tạo hoậc 3’-nucleotid hoặc 5’-nucleotid.
Phức hợp trên nêu không có gôc phosphat thì dược gọi là nucleosid. Liên đoàn Hóa tinh khiết và ứng dụng quốc tê (International Union of Pure and Applied Chemistry, viết tắt là IUPAC) quy dinh các chữ cái viết tắt cho các nucleotid ngoài 5 chữ cái thông dụng quy định cho 5 base: A, G, c, T/U (báng ỉ.iỵ Các mã này thường được dùng khi thiết kê mồi. Các mã nucleotid theo quy định của IUPAC Mã nucleotid theo IUPAC Base A Adenin c Cytosin G Guanin T(hoặc U) Thymỉn (hoặc Uracil) R A hoặc G Y c hoặc T (U) s G hoặc c w A hoặc T (U) K G hoặc T (U) M A hoặc c B c hoặc G hoặc T (U) D A hoặc G hoặc T (U) H A hoặc c hoặc T (U) V A hoặc c hoặc G N Bất kỳ base nào 11 Bàng 1. Độ 3 mã hóa chuẩn VỊ trí 1 Vị trí 2 Vitri 3 u c A G uuu Phe ucu Ser UAU Tyr UGU Cys u uuc Phe ucc Ser UAC Tyr UGC Cys c u UUA Leu UCA Ser UAA Stop UGA Stop A UUG Leu UCG Ser UAG Stop UGG Trp G cuu Leu ecu Pro CAU His CGU Arg u cuc Leu ccc Pro CAC His CGC Arg c c CUA Leu CCA Pro CAA Gin CGA Arg A CUG Leu CCG Pro CAG Gin CGG Arg G AUU lie ACU Thr AAU Asn AGU Ser u AUC lie ACC Thr AAC Asn AGC Ser c A AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg A AUG Met ACG Thr AAG Lys AGG Arg G GUU Vai GCU Ala GAU Asp GGU Gly u GUC Vai GCC Ala GAC Asp GGC Gly c G GUA Vai GCA Ala GAA Glu GGA Gly A GUG Vai GCG Ala GAG Glu GGG Gly G 2.
CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA ACID NUCLEIC 2. Câu trúc acid deoxyribonucleic (DNA) 2.1 Cấu trúc xoắn kép Phát minh ra cấu trúc xoắn kép của DNA bởi James Watson và Francis Crick năm 1953 đã khai sinh ra ngành Sinh học phân tử hiện đại. Sự ra đời của cấu trúc Watson-Crick đã khắc phục được tất cả các khiêm khuyết của các cấu trúc do các nhà khoa học khác để xuất trưóc đó và lý giải được tất cả các hoạt động chức năng của DNA cũng như cơ chê phân tử của bệnh lý di truyền. Ngày nay, người ta nhận thấy rằng DNA và RNA tồn tại ở một vài dạng cấu trúc xoắn kép khác nhau, phụ thuộc vào nhiêu yếu tố như: độ ẩm, sự có mặt của các cation hay trình tự các base.
Cấu trúc Watson-Crick (B-DNA) Câu trúc B-DNA được xác định bởi nhiễu xạ tia X vởi sự có mặt của Na+ và ỏ độ ẩm 92%. Đây là cấu trúc tự nhiên của DNA bởi lẽ DNA ở đầu tinh trùng 12 tổn tại ở dạng cấu trúc này (hình 1. Cấu trúc B-DNA của James Watson và Francis Crick có các đặc điêrn sau: - Bao gồm hai chuỗi polynucleotid xoắn vặn xung quanh một trục theo hai chiểu ngược nhau theo quy tắc bàn tay phải vởi đường kính vòng xoắn khoảng 20 A. Cấu trúc xoắn vặn của hai chuỗi polynucleotid tạo cho DNA có một cấu trúc bển, hai chuỗi không thê tách rời khỏi nhau nếu như không được mở xoắn.
Trục xoắn là các base còn các chuỗi đường-phosphat thì cuộn xung quanh. - Mặt phảng của các base hầu như vuông góc với trục xoắn ốc. Mỗi base cùa chuỗi này liên kêt với base của chuỗi kia bằng liên kết hydro theo nguyên tắc bố sung. Trong đó, guanin và cytosin liên kết với nhau bằng 3 liên kết hydro (G3C) còn adenin và thymin liên kết với nhau bằng 2 liên kết (A=T).
Do vậy, trật tự càc base ở chuỗi thứ nhất bổ sung với trật tự các base ở chuỗi thứ 2. - Mỗi một chu kỳ xoắn B-DNA lý tưởng gồm có 10 đôi base có độ dốc là 34 A, góc xoắn vặn của mỗi cặp base là 36°, trong đó mỗi base cách nhau 3,4 À. Richard Dickerson và Horace Drew đã đo lại và cho thấy mỗi chu kỳ xoắn là 10,1 đôi base và góc xoắn vặn của mỗi cặp base là 35,6°. Cểpbasa 1 20 A’ Bồ khung đu ong phMphale Hình 1.
Mó hỉnh mô phỏng cấu trúc B-DNA J. Các dạng cấu trúc xoắn khác của acid nucleic - Dạng A-DNA: Cấu trúc A-DNA rộng hơn, vòng xoắn theo quy tắc bàn tay phải từ phải qua trái dẹt hơn so với cấu trúc B-DNA. Một chu kỷ xoắn của 13 A-DNA có 11 đôi base có độ dốc là 28 Â và góc xoắn vặn của mỗi cặp base so với trục là 20°. Cấu trúc này được thấy ở dạng bào tử của vi khuẩn Gram dương.
Đây là cơ chê tự bảo vệ của vi khuẩn vì DNA ở dạng này bên vững với tia cực tím - Dạng Z-DNA: có cấu trúc xoắn theo quy tắc bàn tay trái. Mỗi chu kỳ xoắn có 12 đôi base vói độ dổc là 45 À. Chức năng sinh học của dạng Z-DNA chưa được khắng định, song có giả thuyết cho rằng có sự biến đôi thuận nghịch từ cấu trúc B-DNA sang Z-DNA ở một số điêu kiện nhất định như: tái tô hợp gen trong quá trình thể hiện gen. So sánh đặc tính cà'u trúc A, B và Z-DNA A B z Nguyên tắc Nguyên tắc Nguyên tắc Hướng xoắn bàn tay trãi bàn tay phải bàn tay phải Đường kính “26Ẳ -20 Ả ~ 18Ả Số đôi base 12 11 10 mỗi chu kỳ xoắn Độ xoắn vặn/đôi base 33° 36° 60° Mức độ xoắn/vòng 28 Ả 34 Ả 45 Ả Độ xoắn/đôi base 2.6 Â 3,4 Â 3,7 Ả Độ nghiêng 6° 7° 20° với trục xoắn Đường rãnh chính Hẹp vả sâu Rộng và sâu Phảng Đường rãnh phụ Rộng và nông Hẹp và sâu Hẹp và sâu C2'-endo đối với pyrimidin Gốc đường C3'-endo C2'-endo và C3’-endo đối với purin Ngược đối với pyrimidin và Liên kết glycosidic Ngược Ngược thuận đối vái purin 2.
Các lực hóa học và cấu trúc làm bển vững câu trúc acid nucleic DNA không có câu trúc phức tạp như các phân tử protein bởi lẽ nó chỉ có một số lượng giới hạn các dạng cấu trúc bậc 2 trong khi không có cấu trúc bậc 3 và bậc 4. Điều này có thể được giải thích bằng sự đa dạng về đặc tính hóa lý của 20 acid amin trong phân tử protein so với vẻn vẹn chỉ 4 loại base khác nhau trong phân tử DNA. Tuy nhiên, rất nhiêu phân tử RNA có cấu trúc bậc 3. Các lực tham gia hình thành câu trúc phân tủ của acid nucleic giống như các lực tham gia bình ổn cấu trúc phân tử protein.
Phương thức kết hợp giữa các lực tương tác đã tạo cho acid nucleic có đặc tính hoàn toàn khác so với protein. - Cấu trúc của các gốc đường-phosphat: cấu trúc của đơn vị nucleotid có 6 góc xoắn của khung đường phosphat và một góc xoắn là hướng của base vế liên 14 kct glycosidic. 7 góc độ này tạo cho mỗi nucleotid trong chuỗi polynucleotid độ linh động rất cao. Trên thực tế, câu trúc của chuỗi polynucleotid lại rất bển vung và ôn định.
- Cặp base: các cặp base liên kết chặt với nhau nhằm duy trì cấu trúc xoắn kóp của acid nucleic. Liên kết hydro không có tác dụng làm bền vững phân tử DMA mặc dù nó có vai trò quyết định cho sự cặp đôi theo nguyên tắc bổ sung. Trong khi đó, liên kết kỵ nước đóng vai trò quyết định trong việc duy trì cấu trúc Ổn định của DNA. - Cụm các base và tương tác kỵ nưốc: các nhân purin và pyrimidin có khuynh hướng hình thành các chồng mặt phang song song.
Các mặt phăng này tương tác với nhau bàng các liên kết kỵ nưởc. Đây chính là yếu tô đảm bảo cho câu trúc bên vững của DNA. Song cho tới nay, các lực liên kết kỵ nưóc này vẫn chưa được hiểu hết. - Tương tác ion: về mặt lý thuyết thì sự bền vững của câu trúc acid nucleic phải tính đến vai trò của các sự tương tác tĩnh điện của các gốc phosphat mang điện.