Bài giảng hóa học acid nucleic

Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/Y_online.html

http://mientayvn.com/Y_online.html

HÓA HỌC ACID NUCLEIC

VÀ ACID NUCLEIC

BS. HOÀNG HIẾU NGỌC

BỘ MÔN SINH HÓA

9/26/2010 1

9/26/2010 2

1. Acid phosphoric

2. Pentose

3. Base nitơ (nitrogenous base)

9/26/2010 3

THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID

VÀ ACID NUCLEIC

THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID VÀ ACID NUCLEIC

9/26/2010 4

1. Acid phosphoric

9/26/2010 5

2. Đường pentose


9/26/2010 6

3. Base nitơ


Tính chất vật lý – hóa học của base purin và pyrimidine

• Tính đồng phân: enol (lactim) và ceton (lactam)• Tính hòa tan: Ở pH trung hòa, guanin ít hòa tan nhất

9/26/2010 7

Các base hiếm

• Tỉ lệ thấp

• Dẫn xuất củabase lượng nhiều

• Dạng methyl hóa, acetyl hóa, hydroxymethylhóa

• Vai trò điều hòavà bảo vệ thôngtin di truyền.

9/26/2010 8

• N6, N6 – dimethyladenin

• N7 – methylguanin

• 5 – methylcytosin

• 5 – hydroxy –methylcytosin

• 5,6 - dihydrouracil

So sánh thành phần hóa học giữa DNA và

RNA

Thành phần cấu tạo DNA RNA

Base purin ADENIN (A) ADENIN (A)

GUANIN (G) GUANIN (G)

Base pyrimidine CYTOSIN (C) CYTOSIN (C)

THYMIN (T) URACIL (U)

Đường pentose Deoxyribose Ribose

Acid phosphoric H3PO4 H3PO4

9/26/2010 9

NUCLEOSID VÀ NUCLEOTID

HÓA HỌC ACID NUCLEIC VÀ ACID NUCLEIC

9/26/2010 10

Nucleoside

• Sản phẩm thủy phân không hoàn toàn củaacid nucleic.

• Dễ bị thủy phân bởi nucleosidase• Gồm: base nitơ và pentose• -N-glycosid (C1’ pentose và N9 của base

purin/N1 của pyrimidine)• (base): purin – nucleosid/pyrimidin –

nucleosid• (pentose): ribonucleosid /

deoxyribosenucleosid

9/26/2010 11

Liên kết glycoside giữa base nitơ và đường

pentose

9/26/2010 12

-N-glycosid

• Base tạo ra 2 hình dạng xoay quanh liên kết β – N –glycosid được gọi là đồng (syn) hoặc đối (anti). Dạngđối chiếm ưu thế trong tự nhiên

9/26/2010 13

Liên kết glycoside giữa base nitơ và đường pentose

NUCLEOSID PHOSPHAT

9/26/2010 14

9/26/2010 15

NUCLEOSID PHOSPHAT

NHỮNG NUCLEOTID TRONG TỰ NHIÊN

• Dự trữ và vận chuyển năng lượng sinh học

• Coenzym:

– NAD+: nicotinamid adenin dinucleotid

– NADP+: nicotinamid adenin dinucleotidphosphat

– FAD+: flavin adenin dinucleotid

• Yếu tố truyền thông tin nội bào

9/26/2010 16

Dẫn xuất của Adenosin

• Adenosindiphosphat (ADP)

• Adenosintriphosphat (ATP)

– ATP-ADP: tích trữ

và vận chuyển nănglượng

– ATP: nguồn NL chính của tế bào

9/26/2010 17

ADP + H3PO4 ATP

(1)

(2)

E H2O

H2OE

• AMP vòng: Adenosin 3’, 5’ –monophosphat(cAMP)

• Chất vận chuyểnthông tin thứ 2

9/26/2010 18

Dẫn xuất của Adenosin

9/26/2010 19

AMP vòng

ATP AMP vòng

Adenyl cyclase

AMP

phosphodiesterase

Dẫn xuất của guanosin

• GDP và GTP

– Oxy hóa acid α – ketoglutaric thành acid succinic

– GTP cần cho sự hoạt hóa adenyl cyclase

– GTP: NL cần cho sự tổng hợp protein củaribosome

– cGMP: tín hiệu nội tế bào hay chất truyền tin thứ 2

9/26/2010 20

9/26/2010 21

Các dẫn xuất khác

• UTP, UDP: coenzym trong chuyển hóaglucid, hợp chất giàu NL

• CTP, CDP: hợp chất giàu NL

9/26/2010 22

DNA

Acid deoxyribonucleic

9/26/2010 23

Thành phần của DNA

1. H3PO4

2. Deoxyribose

3. Base nitơ (A, G, C, T)

dAMP, dGMP, dCMP,

dTMP.

9/26/2010 24

9/26/2010 25

Liên kết phosphodiester

• Trục liên kết chínhgồm đường pentose và gốc phosphat

• Ưa nước

• Các gốc OH củađường đều hìnhthành liên kếthydrogen với phântử nước

• Nhóm phosphattích điện âm ở pH 7

9/26/2010 26

Đặc tính của base nitơ ảnh hưởng lên cấu

trúc 3 chiều của acid nucleic

• Purin và pyrimidine tự do là base yếu

• Có đặc tính liên hợp cao cấu trúc, phânbố ion, hấp thụ ánh sáng UV (260 nm) củaacid nucleic

• Cộng hưởng giữa các nguyên tử trongvòng làm cho các liên kết có đặc tính liênkết đôi 1 phần

9/26/2010 27

• Pyrimidine là phân tử có cấu trúc phẳng

• Purin thì hơi phẳng vì có 1 chút gấp khúc

• Base kị nước nên khó tan ở pH 7 tế bào.

• Tăng, giảm pH thì acid nucleic tan trongnước dễ hơn

9/26/2010 28

Đặc tính của base nitơ ảnh hưởng lên cấu

trúc 3 chiều của acid nucleic

Tương tác kị nước xếp chồng (hydrophobic

stacking interaction)

• Các base trong cấu trúc acid nucleic xếpchồng lên nhau như xếp chồng các đồngxu

• Các chồng base liên quan đến tương tácVan der Waals và tương tác lưỡng cực giữacác base

• Xếp chồng ít tiếp xúc với nước và ổnđịnh cấu trúc 3 chiều của acid nucleic.

9/26/2010 29

Các lực liên kết giúp hình thành DNA xoắn

đôi

• Trục liên kết phosphat

• Tương tác xếp chồng (stacking interaction)

• Tương tác kị nước: trục phosphat mangđiện tích âm cao đối lại với các base khôngphân cực

• Liên kết hydro: duy trì khoảng cách giữahai trục đường phosphat

• Liên kết ion: muối giúp ổn định cấu trúcduplex của DNA

9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 30

DNA

• Gồm 2 chuỗipolynucleotidxoắn đôi theohướng ngượcchiều nhau

• Đầu 5’: thiếu 1 nucleotid ở vị trí5’

• Đầu 3’ : thiếu 1 nucleotid ở vị trí3’

9/26/2010 31

Sự biến tính DNA

9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/images/chapter5/F05-14.jpg 32

Các nguyên nhân gây biến tính

• Nhiệt độ,

• Thay đổi pH,

• các dung môi hữu cơ(urea, formamide)

• Nhiệt độ nóng chảy (Tm): nhiệt độ mà ở đómột nửa lượng DNA bị tách rời– Phương trình Marmur-Doty về tương quan

nhiệt độ chảy và hàm lượng G, C và muốiTm=41.1 XG+C + 16.6 log[Na+] + 81.5

– G, C, muối cao thì Tm càng cao


Rãnh lớn – rãnh nhỏ

vị trí gắn của các protein điều hòa bằng cácliên kết hydro để kiểm soát biểu hiện gen

9/26/2010 34

Rộng 22Ao

Rộng 12Ao

Qui luật bổ sung đôi base – Sự cân bằng

base

• A G; C = T

• Purin = pyrimidine

• G + T = A + C

• Thành phần base thay đổi theo loàinhưng không thayđổi theo tuổi, trạngthái dinh dưỡng, môi trường.

9/26/2010 35

Những loại cấu trúc xoắn đôi của DNA

• Có 6 loại cho đến nay: A, B, C, D, E, Z

– Chiều xoắn

– Số đôi base trong mỗi vòng xoắn

– Khoảng cách giữa mỗi đôi base

– Khoảng cách lớn nhất giữa hai sợi

• Loại B gặp nhiều nhất trong điều kiện sinhlý

9/26/2010 36

9/26/2010 37

Các dạng cấu trúc của DNA

• Xoắn đơn (virus)

• Xoắn đôi (phổ biến nhất)

• Xoắn đơn vòng (DNA ti thể và virus)

• Xoắn đôi vòng

9/26/2010 38

• Các trình tự đặc biệt có ảnh hưởng lên chứcnăng và chuyển hóa của đoạn DNA trongvùng lân cận.

• VD: gập khúc (bend) sẽ xuất hiện trongchuỗi xoắn DNA khi 4 đến 6 base adenosine xuất hiện cạnh nhau trên 1 mạch đơn. 6 base adenosin sẽ tạo nên 1 gấp khúc 18o chỗ gắn protein trên DNA

9/26/2010 39

Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp


Trình tự acid nucleic đối xứng nhau hai lần, tự bổ

sung trong 1 mạch nên có thể tạo ra cấu trúc kẹp tóchoặc dạng chữ thập

Trình tự acid nucleic đối xứng nhau một lần, không thể hìnhthành cấu trúc kẹp tóc hoặc chữ thập





Triplex formation

- Ổn định ở pH thấp- Gồm 1 chuỗi dài chỉ gồmbasepurin và 2 chuỗi chỉ

gồm base pyrimidine hoặcngược lại



Hoogsten base pairing



G – tetraplex gặptrong cấu trúctelomere

Vai trò của những cấu trúc DNA đặc biệt

• DNA của tế bào sống luôn có những trìnhtự đặc hiệu để giúp nhận biết protein gắnkết.

• Trình tự đó có thể là dạng palindrome, polypyrimidine, polypurin tạo ranhững xoắn ba hoặc H – DNA

• Vùng có liên quan đến điều hòa biểu hiệngen

9/26/2010 45

Vai trò của DNA

• Mang thông tin di truyền

• Làm khuôn cho sự chuyển mã và tái bản

9/26/2010 46

RNA

Acid ribonucleic

9/26/2010 47

Các loại RNA

1. mRNA– 5% RNA

– 900 – 12000 nucleotid

– Đầu 5’ :7 – methylguanosin triphosphat (mũ)

– Đầu 3’: Poly A

2. tRNA– 10 – 15%RNA

– Có base hiếm

– Ít nhất có 20 loại tRNA

9/26/2010 48

tRNA

• Nhánh tiếp nhận

• Nhánh đối mã

• Nhánh D (DHU)

• Nhánh T C

9/26/2010 49

Nhánh tiếp nhận tRNA

• 7 cặp base

• Nhóm kết thúc: CCA (5’ – 3’)

• Nhóm COOH củaacid amin gắn vàonhóm 3’ – OH củaadenosin tạo liên kếtester

9/26/2010 50

Nhánh đối mã của tRNA

• 5 đôi base• 3 nucleotid đối mã• Nhận mã ba tương ứng trên mRNA khuôn

9/26/2010 51

Các dạng RNA

9/26/2010 52

Vai trò sinh học của RNA

• Tham gia vào quá trình sinh tổng hợpprotein

• mRNA: khuôn cho sự tổng hợp

• rRNA: cấu trúc, hình thành ribosome, nơixảy ra sinh tổng hợp protein

• tRNA: vận chuyển acid amin đếnribosome để tổng hợp protein

• snRNA: tham gia vào quá trình cắt mRNA và điều hòa gen

9/26/2010 53

Thủy phân acid nucleic bằng nuclease

• Nuclease: enzym cắt đứt liên kếtphosphodiester

1. Theo vị trí hoạt động: exonuclease –endonuclease

2. Theo liên kết bị tấn công: 3’ (cắt liên kết 3’ phosphoester); 5’ (cắt liên kết 5’ phosphoester

3. Theo cơ chất: Dnase, RNAse

9/26/2010 54

Endonuclease

• Men cắt hạn chế

• Vị trí cắt hạn chế

• Cơ chế tự bảo vệ của các loài vi khuẩn trước

sự xâm nhập của virus

• Hệ thống RE (restriction modification system): men cắt hạn chế và men methylase hóa

• Nền tảng xây dựng công nghệ DNA tái tổ hợp

9/26/2010 55

9/26/2010 56

CH3

CH3

CH3

CH3

RE

DNA vật chủDNA virus xâm nhập

Các kiểu cắt

9/26/2010 57

• Đầu so le (sticky ends)

– EcoRI

• Đầu bằng (blunt ends)

– SmaI

http://en.wikipedia.org/wiki/File:EcoRI_restriction_enzyme_recognition_site.svg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:SmaI_restriction_enzyme_recognition_site.svg

Danh pháp

9/26/2010 58

EcoRI

Viết tắt Nghĩa Mô tả

E Escherichia Genus (họ)

co coli Species (loài)

R RY13 Strain (chủng)

I Được địnhdanh đầu tiên Thứ tự định danh trong vi khuẩn

http://en.wikipedia.org/wiki/File:1QPS.png

Các kiểu nhận biết vị trí cắt

• isoschizomer

– Sph I (CGTAC/G) and Bbu I (CGTAC/G)

• neoschizomers

– Sma I (CCC/GGG) and Xma I (C/CCGGG)

9/26/2010 59

http://en.wikipedia.org/wiki/Isoschizomer

http://en.wikipedia.org/wiki/Neoschizomer

Phân loại

• Type I

– Chủng E.coli K12 và B

– Vị trí nhận biết bất đối xứng

– Cofactor: S-adenosyl methionin; ATP; Mg2+

– Ba tiểu đơn vị: HsdR, HsdM, HsdS

9/26/2010 60

• Type II

– 1 tiểu đơn vị

– Vị trí nhận biết và vị trí cắt là một

– Vị trí nhận biết có trình tự đối xứng: 4 – 8 nu

– Cofactor: Mg2+

9/26/2010 61

Phân loại

• Type III

– Nhận biết 2 trình tự bất đối xứng tách biệt cóchiều ngược nhau

– Cắt DNA thành đoạn dài khoảng 20 – 30 bpsau vị trí nhận biết

9/26/2010 62

Phân loại

Ứng dụng

• Vector plasmid

• SNP (single nucleotidpolymorphism

• PCR - RFLP

9/26/2010 63

Ví dụ về 1 số men cắt

9/26/2010 64

Enzyme Nguồn Trình tự nhận biết Cắt

EcoRI Escherichia coli5'GAATTC

3'CTTAAG

5'---G AATTC---3'

3'---CTTAA G---5'

EcoRII Escherichia coli5'CCWGG

3'GGWCC

5'--- CCWGG---3'

3'---GGWCC ---5'

BamHIBacillus

amyloliquefaciens

5'GGATCC

3'CCTAGG

5'---G GATCC---3'

3'---CCTAG G---5'

HindIIIHaemophilus

influenzae

5'AAGCTT

3'TTCGAA

5'---A AGCTT---3'

3'---TTCGA A---5'

TaqI Thermus aquaticus5'TCGA

3'AGCT

5'---T CGA---3'

3'---AGC T---5'

Những sản phẩm tương tự nucleotid

– ức chế những enzym đặc hiệu của sự tổng hợpacid nucleic

– Tác dụng lên sự kết hợp đôi base

– Allopurinol (4 – hydroxypyrazolopyrimidin) ứcchế tổng hợp purin và hoạt động của xanthinoxidase trong điều trị bệnh gout

– Nucleosid chứa arabinose điều trị ung thư vànhiễm virus

– 5 – flourouacil: điều trị ung thư

– 5 – iodo – 2’ – deoxyuridin: điều trị viêm giác mạcdo herpes

9/26/2010 65

Science

Bài giảng hóa học acid nucleic