Chương 2 Cấu trúc của các Nucleotide và Polynucleotide

Việc nghiên cứu cấu trúc của các nucleic acid thực sự diễn ra từ giữa thập niên 1950, sau khi O.T.Avery, MacLeod và McCarty (1944) lần đầu tiên chứng minh: DNA là vật chất mang thông tin di truyền. Cho đến nay, chúng ta biết rằng các nucleic acid, bao gồm deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), là những đại phân tử sinh học có trọng lượng phân tử lớn với thành phần gồm các nguyên tố C, H, O, N và P; chúng được cấu thành từ nhiều đơn phân (monomer) là các nucleotide. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 2 Cấu trúc của các Nucleotide và Polynucleotide 21Chương 2 Cấu trúc của các Nucleotide và Polynucleotide Việc nghiên cứu cấu trúc của các nucleic acid thực sự diễnra từ giữa thập niên 1950, sau khi O.T.Avery, MacLeod và McCarty(1944) lần đầu tiên chứng minh: DNA là vật chất mang thông tin ditruyền. Cho đến nay, chúng ta biết rằng các nucleic acid, bao gồmdeoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), là nhữngđại phân tử sinh học có trọng lượng phân tử lớn với thành phầngồm các nguyên tố C, H, O, N và P; chúng được cấu thành từnhiều đơn phân (monomer) là các nucleotide. Các đơn phân nàynối với nhau bằng các liên kết phosphodiester tạo thành các cấutrúc đa phân (polymer) gọi là các chuỗi, mạch (chain) hay sợi(strand) polynucleotide - cấu trúc sơ cấp của các phân tử nucleicacid. Trong chương này, chúng ta lần lượt tìm hiểu thành phần hoáhọc và cấu trúc của các nucleotide và polynucleotide của DNA vàRNA.I. Thành phần hóa học của các nucleotide Vào giữa thập niên 1940, các nhà hoá sinh học đã biết đượccác cấu trúc hoá học của DNA và RNA. Khi phân cắt DNA thànhcác tiểu đơn vị, họ phát hiện ra rằng mỗi nucleotide của DNA gồmba thành phần: một base nitơ (nitrogenous base), một đườngdeoxyribose, và một phosphoric acid. Tương tự, RNA cho ra cácbase, phosphoric acid và đường ribose. Các nucleotide cũng cónhiều chức năng khác trong tế bào, ví dụ như các dòng nănglượng, các chất dẫn truyền thần kinh và các thông tin loại hai nhưtải nạp tín hiệu chẳng hạn.1. Base nitơ Các base nitơ (gọi tắt là base), thành phần đặc trưng của cácnucleotide, là các hợp chất purine và pyrimidine dị vòng chứa nitơcó tính kiềm. Về cơ bản, các dẫn xuất của purine bao gồm adenine(A) và guanine (G), còn của pyrimidine gồm có: thymine (T), uracil(U) và cytosine (C). DNA chứa bốn loại base chính là adenine, guanine, thymine và 22cytosine. Trong RNA cũng chứa các base như thế, chỉ khác làuracil thay thế thymine (Hình 2.1). Cần chú ý rằng purine vàpyrimidine là các base dị vòng chứa các nguyên tử nitơ nằm xenvới các nguyên tử carbon, nên việc đánh số các vị trí không thêmdấu phẩy trên đầu như trong trường hợp của đường pentose (xemcác Hình 2.4 - 2.6). Bên cạnh các dạng phổ biến nói trên, các purine khác cũng cóvai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào, như: xanthine,hypoxanthine và uric acid; còn đối với pyrimidine đó là các orotic vàdihydroorotic acid . Ngoài ra còn bắt gặp một số loại base hiếm thuộc cả hai nhómpurine và pyrimidine. Đó là những base biến đổi chủ yếu do hiệntượng methyl hoá (methylation) xảy ra ở các vị trí khác nhau,chẳng hạn: 1-methyladenine, 6-methyladenine, 2-methylguanine, 5-methylcytosine v.v.Hình 2.1 Cấu trúc các base của DNA và RNA. Adenine và guanine là cácdẫn xuất của purine; còn cytosine, thymine và uracil là các dẫn xuất củapyrimidine; trong đó uracil là đặc thù cho RNA và thymine cho DNA. Các base purine và pyrimidine có thể tồn tại dưới các dạng hỗbiến (tautomeric forms) amino và imino (đối với adenine vàcytosine; Hình 2.2A), hoặc keto và enol (đối với guanine vàthymine; Hình 2.2B). Đó là hai trạng thái tồn tại bền (phổ biến) và 23kém bền (ít phổ biến), có thể biến đổi qua lại với nhau do sự dịchchuyển vị trí của các nguyên tử hydro trong các base purine vàpyrimidine. Hình 2.2 cho thấy các dạng hỗ biến của các base trongDNA. Tương tự, uracil có hai dạng hỗ biến: lactam (dạng keto)chiếm ưu thế ở pH = 7 và lactim (dạng enol) gia tăng khi pH giảm.Chính hiện tượng hỗ biến này dẫn tới thay đổi khả năng kết cặpbình thường của các base và làm phát sinh các đột biến gene dạngthay thế một cặp base. Các base phổ biến trong cả DNA và RNA là tương đối bềnvững ở trạng thái hỗ biến được gọi là dạng hỗ biến ưu thế(dominant tautomeric form); có lẽ đó là lý do tại sao chúng đượcchọn lọc để mang thông tin di truyền. Nói chung, các base này đềuít tan trong nước và có khả năng hấp thu ánh sáng cực đại ở 260-270 nanomet (1nm = 10-9m). Chúng có thể được tách ra bằng cácphương pháp sắc ký và điện di. Adenine Cytosine (A) AMINO IMINO 24 Guanine Thymine (B) ENOL KETOHình 2.2 Các dạng hỗ biến của các base trong DNA. (A) Các dạng amino(phổ biến) của adenine và cytosine có thể biến đổi thành các dạng imino; và (B)các dạng keto (phổ biến) của guanine và thymine có thể sắp xếp lại thành cácdạng enol. Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hydro. R là cácg ...