Thành phần hóa học của các nucleotide

Vào giữa thập niên 1940, các nhà hoá sinh học đã biết được các cấu trúc hoá học của DNA và RNA. Khi phân cắt DNA thành các tiểu đơn vị, họ phát hiện ra rằng mỗi nucleotide của DNA gồm ba thành phần: một base nitơ (nitrogenous base), một đường deoxyribose, và một phosphoric acid. Tương tự, RNA cho ra các base, phosphoric acid và đường ribose.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thành phần hóa học của các nucleotide Thành phần hóa học của các nucleotideVào giữa thập niên 1940, các nhà hoásinh học đã biết được các cấu trúc hoáhọc của DNA và RNA. Khi phân cắtDNA thành các tiểu đơn vị, họ phát hiệnra rằng mỗi nucleotide của DNA gồm bathành phần: một base nitơ (nitrogenousbase), một đường deoxyribose, và mộtphosphoric acid. Tương tự, RNA cho racác base, phosphoric acid và đườngribose. Các nucleotide cũng có nhiềuchức năng khác trong tế bào, ví dụ nhưcác dòng năng lượng, các chất dẫntruyền thần kinh và các thông tin loại hainhư tải nạp tín hiệu chẳng hạn.1. Base nitơCác base nitơ (gọi tắt là base), thànhphần đặc trưng của các nucleotide, là cáchợp chất purine và pyrimidine dị vòngchứa nitơ có tính kiềm. Về cơ bản, cácdẫn xuất của purine bao gồm adenine(A) và guanine (G), còn của pyrimidinegồm có: thymine (T), uracil (U) vàcytosine (C).DNA chứa bốn loại base chính làadenine, guanine, thymine và cytosine.Trong RNA cũng chứa các base như thế,chỉ khác là uracil thay thế thymine (Hình2.1). Cần chú ý rằng purine vàpyrimidine là các base dị vòng chứa cácnguyên tử nitơ nằm xen với các nguyêntử carbon, nên việc đánh số các vị tríkhông thêm dấu phẩy trên đầu như trongtrường hợp của đường pentose (xem cácHình 2.4 - 2.6).Bên cạnh các dạng phổ biến nói trên,các purine khác cũng có vai trò quantrọng 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 basehiếm thuộc cả hai nhóm purine vàpyrimidine. Đó là những base biến đổichủ yếu do hiện tượng methyl hoá(methylation) xảy ra ở các vị trí khácnhau, chẳng hạn: 1-methyladenine, 6-methyladenine, 2-methylguanine, 5-methylcytosine v.v.Hình 2.1 Cấu trúc các base của DNA vàRNA. Adenine và guanine là các dẫnxuất của purine; còn cytosine, thymine vàuracil là các dẫn xuất của pyrimidine;trong đó uracil là đặc thù cho RNA vàthymine cho DNA.Các base purine và pyrimidine có thể tồntại dưới các dạng hỗ biến (tautomericforms) amino và imino (đối với adeninevà cytosine; Hình 2.2A), hoặc keto vàenol (đối với guanine và thymine; Hình2.2B). Đó là hai trạng thái tồn tại bền(phổ biến) và kém bền (ít phổ biến), cóthể biến đổi qua lại với nhau do sự dịchchuyển vị trí của các nguyên tử hydrotrong các base purine và pyrimidine. Hình2.2 cho thấy các dạng hỗ biến của cácbase trong DNA. Tương tự, uracil có haidạng hỗ biến: lactam (dạng keto) chiếmưu thế ở pH = 7 và lactim (dạng enol)gia tăng khi pH giảm. Chính hiện tượnghỗ biến này dẫn tới thay đổi khả năngkết cặp bình thường của các base và làmphát sinh các đột biến gene dạng thaythế một cặp base.Các base phổ biến trong cả DNA vàRNA là tương đối bền vững ở trạng tháihỗ biến được gọi là dạng hỗ biến ưuthế (dominant tautomeric form); có lẽ đólà lý do tại sao chúng được chọn lọc đểmang thông tin di truyền. Nói chung, cácbase này đều ít tan trong nước và có khảnăng hấp thu ánh sáng cực đại ở 260-270nanomet (1nm = 10-9m). Chúng có thểđược tách ra bằng các phương pháp sắcký và điện di.Hình 2.2 Các dạng hỗ biến của cácbase trong DNA. (A) Các dạng amino(phổ biến) của adenine và cytosine cóthể biến đổi thành các dạng imino; và(B) các dạng keto (phổ biến) củaguanine và thymine có thể sắp xếp lạithành các dạng enol. Các mũi tên biểuthị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hydro.R là các gốc đường và phosphate.2. Đường pentoseCác đường chứa năm carbon (pentose) làsản phẩm của quá trình trao đổi chấttrong tế bào, với nhiều loại như:arabinose, ribulose, ribose và dẫn xuấtcủa nó là deoxyribose v.v.Đường pentose của RNA là D-ribose vàcủa DNA là 2-deoxy-D-ribose (ký hiệuD chỉ dạng đường quay phải trước ánhsáng phân cực để phân biệt với dạng Lquay trái không có trong thành phần củacác nucleic acid tự nhiên). Các phân tửđường này đều có cấu trúc vòngfuranose (gọi như thế bởi vì nó giốngvới hợp chất furan dị vòng). Do cácnguyên tử carbon ở đây xếp liên tục nênđược đánh số thứ tự có dấu phẩy trênđầu, ví dụ C1, C2 cho đến C5.Hình 2.3 Cấu trúc của các phân tửđường ribose (trái) và deoxyribose(phải); chúng khác nhau ở nguyên tửcarbon số 2.Hai phân tử đường này khác nhau ở C2;trong ribose đó là nhóm hydroxyl và trongdeoxyribose là một hydro (Hình 2.3). Docác gốc đường khác nhau này đã tạo rahai loại nucleotide là ribonucleotide vàdeoxyribonucleotide, mà từ đó cấu tạonên hai loại nucleic acid khác nhau tươngứng là RNA và DNA. Và chính sự khácbiệt nhỏ nhặt về mặt cấu trúc này đãtạo nên các đặc tính hoá lý rất khác nhaugiữa DNA và RNA. Dung dịch DNA tỏra đặc quánh hơn nhiều do sự trở ngạilập thể (steric hindrance) và mẫn cảmhơn với sự thuỷ phân trong các điềukiện kiềm (alkaline), có lẽ điều này giảithích phần nào tại sao DNA xuất hiệnnhư là vật chất di truyền sơ cấp(primary genetic material).Cần để ý rằng, trong các phân tử đườngnày có ba vị trí quan trọng có chứa nhómhydroxyl (-OH) tự do, đó là: (i) nhóm-OH ở vị trí C1 có khả năng hình thànhliên kết N-glycosid với gốc -NH của cácbase để tạo thành các nucleoside; (ii)nhóm -OH ở vị trí C5 có khả năng hìnhthành liên kết ester với nhóm phosphateđể tạo ra các nucleotide; và (iii) nhóm-OH ở vị trí C3 có khả năng hình thànhliên kết phosphodiester với nhómphosphate của một nucleotide khác đểtạo chuỗi polynucleotide. Như vậy, tínhphân cực (polarity) trong gốc đường màtừ đó quyết định tính phân cực của cácchuỗi polynucleotide được thể hiện ởhai vị trí C5 và C3.3. Phosphoric acidPhosphoric acid (H3PO4) là acid vô cơ cóchứa phosphor (P), một nguyên tố đóngvai trò quan trọng trong trao đổi chất vànăng lượng của tế bào. Do có chứa banhóm -OH nên acid này có thể hình thànhliên kết ester với các gốc đường tại cácvị trí C5 và C3 để tạo nên các nucleotidevà chuỗi polynucleotide.Trong các nucleotide của DNA và RNA,nhóm phosphate liên kết với cácnucleoside tại C5 (xem Hình 2.5).‌ Tro ...