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