Axit Nucleic: Cấu Trúc, Chức Năng và Lịch Sử

Chuyên khảo phân tích 1 acid nucleic 2016829 1, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Ts. Võ Đình Lệ Tâm
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Tìm Hiểu Về Axit Nucleic: Cấu Trúc, Chức Năng và Lịch Sử
• Loại tài liệu: Bài Giảng
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 3. CHAPTER 3: NUCLEIC ACID
• 3.1. Nucleotide
• 3.2. DNA, RNA
• 3.3. Properties
• 3.4. Biosynthesis of nucleotide
• 3.5. Molecular biology in Food technology
• 3.5.1. Genetic engineering
• 3.5.2. GMO, GMF
• 3.6. NUCLEIC ACID - HISTORY
• 3.7. NUCLEOTIDE STRUCTURE
• 3.7.1. PHOSPHATE SUGAR (5C) NITROGEN BASE (C-N ring) GROUP (PO4)
• 3.7.2. Nucleotide structure - subunits
• 3.7.3. Nucleotide structure - bonds
• 3.7.4. Nucleotide structure - pentose
• 3.8. POLYNUCLEOTIDE-BACKBONE
• 3.8.1. THE SUGAR-PHOSPHATE BACKBONE
• 3.8.2. Sugar-phosphate joined by phosphodiester bonds
• 3.8.3. Sugar-phosphate in polynucleotide orientated in the same direction
• 3.8.4. 3’-OH group of the sugar in one nucleotide forms an ester bond to the phosphate group on the 5’-carbon of the sugar of the next nucleotide
• 3.9. NUCLEOTIDE STRUCTURE-BASE
• 3.9.1. Bases
• 3.10. NUCLEOSIDE & NUCLEOTIDE
• 3.10.1. Nucleoside – consists of a nitrogen base linked to C1’ of a ribose or deoxyribose (glycosidic bond) – Named
• 3.10.2. Nucleotide – nucleoside forms a phosphate ester with the C5’-OH group of ribose or deoxyribose – Named
• 3.11. NAMES OF NUCLEOSIDES AND NUCLEOTIDES
• 3.12. ATP - MAJOR ENERGY SOURCE FOR CELLULAR ACTIVITY
• 3.12.1. ATP: adenosine triphosphate
• 3.12.2. HOW DOES ATP STORE ENERGY?
• 3.12.3. HOW DOES CELL GET ENERGY FROM ATP?: HYDROLYSIS
• 3.12.4. THE ADP-ATP CYCLE
• 3.12.5. ATP & CHEMICAL ENERGY
• 3.12.6. WHEN IS ATP MADE?
• 3.13. TYPES OF NUCLEIC ACID
• 3.13.1. DeoxyriboNucleic Acid (DNA)
• 3.13.2. RiboNucleic Acid (RNA)
• 3.14. DNA STRUCTURE – DISCOVERY
• 3.14.1. X-ray diffraction photo of DNA (1952) by Rosalind E. Franklin
• 3.14.2. Francis Harry Compton Crick and James Dewey Watson
• 3.15. DNA STRUCTURE – THE NOBEL PRIZE
• 3.16. WATSON & CRICK MODEL OF DNA
• 3.16.1. Two strands of polynucleotides
• 3.16.2. Nucleotides bond between DNA strands
• 3.16.3. Ratio of A-T : G-C affects stability of DNA molecule
• 3.17. BASE-PAIRING RULE OF NUCLEOTIDE
• 3.17.1. Erwin Chargaff (1905-2002)
• 3.18. DNA - FUNCTION
• 3.18.1. Storage of genetic information
• 3.18.2. Self-duplication & inheritance
• 3.18.3. Expression of the genetic message
• 3.19. BIODIVERSITY
• 3.20. DNA - SEQUENCE
• 3.20.1. Reading DNA sequence
• 3.21. DNA - THE DOUBLE HELIX
• 3.21.1. Base pairs of two strands
• 3.22. DNA - SUPERCOILS
• 3.23. Properties of DNA
• 3.23.1. Double stranded
• 3.23.2. DNA can be denatured
• 3.23.3. DNA can be renatured
• 3.23.4. General forms of a DNA helix
• 3.24. DENATURATION & RENATURATION OF DNA
• 3.25. Spectroscopy of Nucleic Acid
• 3.26. DIFFERENCES BETWEEN RNA & DNA
• 3.26.1. RNA (ribonucleic acid)
• 3.27. RNA STRUCTURE
• 3.28. TYPES OF RNA
• 3.28.1. RIBOSOMAL RNA (rRNA) & MESSENGER RNA (mRNA)
• 3.28.1.1. Ribosomal RNA
• 3.28.1.2. Messenger RNA
• 3.28.2. TRANSFER RNA (tRNA)
• 3.29. GENETIC CODE
• 3.30. GENETIC CODE ORGANIZATION
• 3.31. READING THE GENETIC CODE
• 3.32. THE CENTRAL DOGMA OF MOLECULAR BIOLOGY (BY F. CRICK)

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Axit Nucleic Tổng Quan và Cấu Trúc

Axit nucleic là một trong những phân tử sinh học quan trọng nhất trong tế bào sống. Chúng bao gồm hai loại chính: DNA (Deoxyribonucleic Acid) và RNA (Ribonucleic Acid). Cấu trúc của axit nucleic được hình thành từ các nucleotide, mỗi nucleotide bao gồm một nhóm phosphate, một đường pentose và một base nitrogen. Cấu trúc này không chỉ quyết định chức năng của axit nucleic mà còn ảnh hưởng đến cách thức mà thông tin di truyền được lưu trữ và truyền đạt.

1.1. Cấu Trúc Của Axit Nucleic Nucleotide và Polynucleotide

Nucleotide là đơn vị cấu trúc cơ bản của axit nucleic. Mỗi nucleotide bao gồm ba thành phần chính: nhóm phosphate, đường pentose (ribose cho RNA và deoxyribose cho DNA) và một base nitrogen. Các nucleotide liên kết với nhau để tạo thành chuỗi polynucleotide, tạo nên cấu trúc chính của DNA và RNA.

1.2. Phân Biệt Giữa DNA và RNA Chức Năng và Đặc Điểm

DNA và RNA có những khác biệt quan trọng về cấu trúc và chức năng. DNA thường tồn tại dưới dạng chuỗi đôi, trong khi RNA thường là chuỗi đơn. DNA lưu trữ thông tin di truyền, trong khi RNA tham gia vào quá trình tổng hợp protein và truyền tải thông tin từ DNA đến ribosome.

II. Lịch Sử Phát Triển Nghiên Cứu Về Axit Nucleic

Lịch sử nghiên cứu axit nucleic bắt đầu từ giữa thế kỷ 19 với phát hiện của Friedrich Miescher về nuclein. Kể từ đó, nhiều nhà khoa học đã đóng góp vào việc hiểu biết về cấu trúc và chức năng của axit nucleic. Năm 1953, James Watson và Francis Crick đã công bố mô hình cấu trúc DNA, mở ra một kỷ nguyên mới trong sinh học phân tử.

2.1. Những Cột Mốc Quan Trọng Trong Lịch Sử Nghiên Cứu

Năm 1869, Friedrich Miescher phát hiện ra nuclein từ tế bào bạch cầu. Năm 1953, Watson và Crick công bố mô hình DNA, xác định cấu trúc xoắn kép của nó. Những phát hiện này đã tạo nền tảng cho nghiên cứu di truyền học hiện đại.

2.2. Tác Động Của Nghiên Cứu Axit Nucleic Đến Khoa Học

Nghiên cứu về axit nucleic đã dẫn đến những tiến bộ lớn trong sinh học phân tử, di truyền học và công nghệ sinh học. Các ứng dụng như kỹ thuật gen và liệu pháp gen đã trở thành hiện thực, mở ra nhiều cơ hội mới trong y học và nông nghiệp.

III. Chức Năng Của Axit Nucleic Từ Lưu Trữ Đến Biểu Hiện Gen

Axit nucleic đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. DNA lưu trữ mã di truyền, trong khi RNA thực hiện chức năng truyền tải và tổng hợp protein. Sự tương tác giữa DNA, RNA và protein là nền tảng cho mọi hoạt động sống của tế bào.

3.1. Chức Năng Lưu Trữ Thông Tin Di Truyền Của DNA

DNA lưu trữ thông tin di truyền dưới dạng mã hóa nucleotide. Mỗi đoạn DNA mã hóa cho một gen, quyết định các đặc điểm di truyền của sinh vật. Sự ổn định của cấu trúc DNA giúp bảo vệ thông tin này qua nhiều thế hệ.

3.2. Vai Trò Của RNA Trong Tổng Hợp Protein

RNA có vai trò trung gian trong quá trình tổng hợp protein. Messenger RNA (mRNA) truyền tải thông tin từ DNA đến ribosome, nơi protein được tổng hợp. Ribosomal RNA (rRNA) và transfer RNA (tRNA) cũng tham gia vào quá trình này, đảm bảo sự chính xác trong việc dịch mã gen thành protein.

IV. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Axit Nucleic Biến Đổi Gen và Bệnh Tật

Nghiên cứu axit nucleic không chỉ mang lại hiểu biết về di truyền mà còn đối mặt với nhiều thách thức. Biến đổi gen có thể dẫn đến các bệnh di truyền và ung thư. Việc hiểu rõ cơ chế hoạt động của axit nucleic giúp phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn.

4.1. Biến Đổi Gen Nguyên Nhân và Hệ Quả

Biến đổi gen có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm đột biến tự nhiên và tác động từ môi trường. Những biến đổi này có thể dẫn đến các bệnh di truyền, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật.

4.2. Nghiên Cứu Về Bệnh Tật Liên Quan Đến Axit Nucleic

Nghiên cứu axit nucleic giúp xác định nguyên nhân của nhiều bệnh tật, từ bệnh di truyền đến ung thư. Các phương pháp như giải trình tự gen và phân tích biểu hiện gen đang được sử dụng để phát hiện và điều trị các bệnh này.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Axit Nucleic Trong Công Nghệ Sinh Học

Axit nucleic có nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh học, từ sản xuất thuốc đến cải thiện giống cây trồng. Kỹ thuật gen cho phép tạo ra các sinh vật biến đổi gen (GMO) với các đặc tính mong muốn, như khả năng kháng bệnh và năng suất cao.

5.1. Công Nghệ Gen Trong Nông Nghiệp

Công nghệ gen đã được áp dụng để phát triển các giống cây trồng kháng bệnh và chịu hạn. Những giống cây này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu, bảo vệ môi trường.

5.2. Ứng Dụng Trong Y Học Liệu Pháp Gen

Liệu pháp gen là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của axit nucleic trong y học. Nó cho phép điều trị các bệnh di truyền bằng cách thay thế hoặc sửa chữa gen bị lỗi, mở ra hy vọng cho nhiều bệnh nhân.

VI. Tương Lai Của Nghiên Cứu Axit Nucleic Xu Hướng và Tiềm Năng

Nghiên cứu axit nucleic đang tiến triển nhanh chóng với sự phát triển của công nghệ mới. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới, từ việc hiểu rõ hơn về cơ chế di truyền đến phát triển các phương pháp điều trị tiên tiến.

6.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Axit Nucleic

Các xu hướng nghiên cứu hiện nay bao gồm việc sử dụng công nghệ CRISPR để chỉnh sửa gen và nghiên cứu về epigenetics. Những tiến bộ này có thể thay đổi cách thức mà con người hiểu và điều trị các bệnh di truyền.

6.2. Tiềm Năng Của Axit Nucleic Trong Tương Lai

Tiềm năng của axit nucleic trong tương lai rất lớn, từ việc phát triển các liệu pháp điều trị mới đến cải thiện giống cây trồng. Nghiên cứu axit nucleic sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHAPTER 3 NUCLEIC ACID TS. VÕ ĐÌNH LỆ TÂM ĐT: [phone] E-mail: [e-mail] CONTENT Nucleotide DNA, RNA Properties Biosynthesis of nucleotide Molecular biology in Food technology  Genetic engineering GMO, GMF NUCLEIC ACID - HISTORY  Isolated nuclein (from nuclei of white blood cells) nucleic acid Nucleic acids: polynucleotides Friedrich Miescher (1844-1895) Swiss physician and biologist NUCLEOTIDE STRUCTURE PHOSPHATE SUGAR (5C) NITROGEN BASE (C-N ring) GROUP (PO4) Ribose (RNA) PURINES PYRIMIDINES Deoxyribose (DNA) Adenine (A) Thymine (T); Uracil (U) Guanine(G) Cytocine (C) NUCLEOTIDE NUCLEOTIDE STRUCTURE - SUBUNITS NUCLEOTIDE STRUCTURE - BONDS NUCLEOTIDE STRUCTURE - PENTOSE POLYNUCLEOTIDE-BACKBONE THE SUGAR-PHOSPHATE BACKBONE  Sugar-phosphate joined by phosphodiester bonds  Sugar-phosphate in polynucleotide orientated in the same direction  3’-OH group of the sugar in one nucleotide forms an ester bond to the phosphate group on the 5’-carbon of the sugar of the next nucleotide POLYNUCLEOTIDE-BACKBONE NUCLEOTIDE STRUCTURE-BASE Bases  Attached to the 1st Carbon of sugar NUCLEOSIDE & NUCLEOTIDE • Nucleoside – consists of a nitrogen base linked to C1’ of a ribose or deoxyribose (glycosidic bond) – Named • for purines: changing the nitrogen base ending: -ine to - osine : adenine  adenosine • for pyrimidines: changing the nitrogen base ending (osine to – idine: cytosine  cytidine NUCLEOSIDE & NUCLEOTIDE • Nucleotide – nucleoside forms a phosphate ester with the C5’-OH group of ribose or deoxyribose – Named: using the name of the nucleoside followed by 5’- monophosphate: adenosine 5’-monophosphate • Oligonucleotide: short nucleotide (<100 nt) (primers for DNA replication) NAMES OF NUCLEOSIDES AND NUCLEOTIDES ATP - MAJOR ENERGY SOURCE FOR CELLULAR ACTIVITY  ATP: adenosine triphosphate  All cells need chemical energy carried out by ATP  Molecules in food store chemical energy in their bonds Starch molecule Glucose molecule HOW DOES ATP STORE ENERGY?  Energy is stored in the last high energy phosphate bond (it can store more energy than other types of bonds)  The cell stores energy by bonding a phosphate to ADP (Adenosine Diphosphate) ATP-CHEMICAL STRUCTURE + + HOW DOES CELL GET ENERGY FROM ATP?: HYDROLYSIS H2 O By breaking the high- energy bonds between the last two phosphates in ATP THE ADP-ATP CYCLE ATP ATP-ase Synthetase ATP & CHEMICAL ENERGY Organisms break down carbon-based molecules to produce ATP Carbohydrates: the most commonly broken down to make ATP – not stored in large amounts – up to 36-38 ATP from one glucose molecule  Fats store the most energy: 80 percent of energy in the body – about 146 ATP produced from a triglyceride  Proteins: the least likely to be broken down to make ATP – amino acids not usually needed for energy WHEN IS ATP MADE? During Cellular Respiration • Includes pathways that require oxygen • Glucose is oxidized and O2 is reduced • Glucose breakdown  one molecule of glucose  36-38 ATP molecules TYPES OF NUCLEIC ACID DeoxyriboNucleic Acid (DNA)  contains genetic information of an organism  in the cell nucleus and mitochondria RiboNucleic Acid (RNA)  throughout the cell, much more abundant than DNA  assisting in the expression of DNA to protein DNA STRUCTURE – DISCOVERY X-ray diffraction photo of DNA (1952) by Rosalind E. Franklin Rosalind Elsie Franklin(1920-1958), Maurice Hugh Frederick Wilkins British biophysicist and X-ray (1916-2004), New Zealand- crystallographer, born English physicist Took X-ray diffraction photo of DNA and molecular biologist (1952) DNA STRUCTURE – DISCOVERY Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson (1928) (1916-2004), American molecular biologist, English molecular biologist, geneticist, zoologist biophysicist, and neuroscientist Watson and Crick with their DNA model  Francis Crick and James Watson working at the Cavendish Laboratory in Cambridge (1953), discovered the structure of DNA, a double helix DNA STRUCTURE – THE NOBEL PRIZE  Crick, Watson and Wilkins won the Nobel Prize for medicine in 1962  Rosalind Franklin, Maurice Wilkins’s colleague, developed the technique to photograph a single strand of DNA  died of cancer in 1958 could not be recognized in the Nobel Award WATSON & CRICK MODEL OF DNA Two strands of polynucleotides  wind together  run in opposite directions (antiparallel)  Complementary WATSON & CRICK MODEL OF DNA Nucleotides bond between DNA strands  H bonds  Purine :: Pyrimidine pairing A :: T: 2 H bonds G ::: C: 3 H bonds  Arranged in step-like pairs  Determines the genetic information of DNA WATSON & CRICK MODEL OF DNA Ratio of A-T : G-C affects stability of DNA molecule  Biotech procedures more G-C = need higher T° to separate strands BASE-PAIRING RULE OF NUCLEOTIDE Erwin Chargaff (1905-2002), Purine – Pyrimidine pairing Austrian American biochemist, A :: T (2 H bonds) discovered the base-pairing rule of G ::: C (3 H bonds) nucleic acids ERWIN CHARGAFF’S DNA DATA (1950-51) DNA - FUNCTION Storage of genetic information Self-duplication & inheritance Expression of the genetic message BIODIVERSITY Different arrangement of nucleotides in DNA  biodiversity DNA - SEQUENCE Reading DNA sequence  The sequence: read from 5’ to 3’ end using the letters of the bases • Ex: 5’—A—C—G—T—3’  Free 5’ end: phosphate group  free 3’ end: - OH group DNA - THE DOUBLE HELIX Base pairs of two strands: consists of a purine and a pyrimidine  the same width, keeping the two strands at equal distances from each other major groove 12 Å one helical turn minor 34 Å groove 6Å DNA - SUPERCOILS Each cell contains about 2 meters of DNA  DNA “packaged” by coiling around a core of proteins (histones: rich in lysine and arginine residues) The DNA-histone: nucleosome In eukaryotic cells (animals, plants, fungi), DNA stored in the nucleus Properties of DNA Double stranded 1. Antiparallel strands DNA can be denatured 1.

Effect of G-C content on DNA denaturation Properties of DNA DNA can be renatured 1. Effect of time, concentration and complexity on renaturation General forms of a DNA helix 1. Z form FORMS OF A DNA HELIX DENATURATION & RENATURATION OF DNA Spectroscopy of Nucleic Acid UV absorption - Nucleic acids absorb UV light due to the aromatic bases - The wavelength of maximum absorption by both DNA and RNA is 260 nm (lmax = 260 nm) - Applications: detection, quantitation, assessment of purity (A260/A280) DIFFERENCES BETWEEN RNA & DNA RNA (ribonucleic acid)  Differences between RNA and DNA - Pentose sugar: ribose, [deoxyribose in DNA] - Uracil replaces thymine - Single stranded [DNA: double stranded] - Much smaller than DNA - Three main types of RNA: ribosomal (rRNA), messenger (mRNA) and transfer (tRNA) RNA STRUCTURE TYPES OF RNA RIBOSOMAL RNA (rRNA) & MESSENGER RNA (mRNA) Ribosomal RNA  65% of Ribosomes ( Sites of protein synthesis) Messenger RNA  Carries the genetic code to ribosomes  Complementary to the DNA of the gene) TRANSFER RNA (tRNA) Transfer RNA  Translates the genetic code from the mRNA  Brings specific amino acids to the ribosome for protein synthesis  Each amino acid is recognized by one or more specific tRNAs - one end: attaches to the amino acid - the other end binds to the mRNA (complimentary sequence) GENETIC CODE GENETIC CODE ORGANIZATION  Single-base changes (single-nucleotide polymorphism) in the third position in a codon  produce the same amino acid  The second base specifies if the amino acid is polar or apolar (hydrophobic)  Changes elsewhere in the codon  produce a different amino acid, but with the same physical-chemical properties Polar R groups make the amino acid hydrophilic Non-polar R groups make the amino acid hydrophobic Ionic R groups make the amino acid hydrophilic READING THE GENETIC CODE Ex: determine the amino acid sequence coded by a section of a mRNA 5’—CCU —AGC—GGA—CUU—3’ According to the genetic code  amino acids sequence CCU = Proline AGC = Serine GGA = Glycine CUU = Leucine mRNA section codes for the amino acid sequence Pro—Ser—Gly—Leu THE CENTRAL DOGMA OF MOLECULAR BIOLOGY (BY F. CRICK) Francis Harry Compton Crick (1916-2004)  Replication: DNA is copied with very high fidelity  Transcription: DNA genetic code is read and transferred to messenger RNA (mRNA)  Translation: genetic code is converted to a protein