Bài giảng hóa học acid nucleic

1. Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/Y_online.html

2. HÓA HỌC ACID NUCLEIC
VÀ ACID NUCLEIC
BS. HOÀNG HIẾU NGỌC
BỘ MÔN SINH HÓA
9/26/2010 1

3. 9/26/2010 2

4. 1. Acid phosphoric
2. Pentose
3. Base nitơ (nitrogenous base)
9/26/2010 3
THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID
VÀ ACID NUCLEIC

5. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID VÀ ACID NUCLEIC
9/26/2010 4
1. Acid phosphoric

6. 9/26/2010 5
2. Đường pentose
THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID VÀ ACID NUCLEIC

7. 9/26/2010 6
3. Base nitơ
THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NUCLEOTID VÀ ACID NUCLEIC

8. 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

9. Các base hiếm
• Tỉ lệ thấp
• Dẫn xuất của
base lượng nhiều
• Dạng methyl
hóa, acetyl hóa,
hydroxymethyl
hóa
• Vai trò điều hòa
và bảo vệ thông
tin di truyền.
9/26/2010 8
• N6, N6 – dimethyladenin
• N7 – methylguanin
• 5 – methylcytosin
• 5 – hydroxy –
methylcytosin
• 5,6 - dihydrouracil

10. 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

11. NUCLEOSID VÀ NUCLEOTID
HÓA HỌC ACID NUCLEIC VÀ ACID NUCLEIC
9/26/2010 10

12. Nucleoside
• Sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của
acid 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

13. Liên kết glycoside giữa base nitơ và đường
pentose
9/26/2010 12
-N-glycosid

14. • Base tạo ra 2 hình dạng xoay quanh liên kết β – N –
glycosid được gọi là đồng (syn) hoặc đối (anti). Dạng
đối chiếm ưu thế trong tự nhiên
9/26/2010 13
Liên kết glycoside giữa base nitơ và đường pentose

15. NUCLEOSID PHOSPHAT
9/26/2010 14

16. 9/26/2010 15
NUCLEOSID PHOSPHAT

17. NHỮNG NUCLEOTID TRONG TỰ NHIÊN
• Dự trữ và vận chuyển năng lượng sinh học
• Coenzym:
– NAD+: nicotinamid adenin dinucleotid
– NADP+: nicotinamid adenin dinucleotid
phosphat
– FAD+: flavin adenin dinucleotid
• Yếu tố truyền thông tin nội bào
9/26/2010 16

18. Dẫn xuất của Adenosin
• Adenosin
diphosphat (ADP)
• Adenosin
triphosphat (ATP)
– ATP-ADP: tích trữ
và vận chuyển năng
lượng
– ATP: nguồn NL
chính của tế bào
9/26/2010 17
ADP + H3PO4 ATP
(1)
(2)
E H2O
H2OE

19. • AMP vòng:
Adenosin 3’, 5’ –
monophosphat
(cAMP)
• Chất vận chuyển
thông tin thứ 2
9/26/2010 18
Dẫn xuất của Adenosin

20. 9/26/2010 19
AMP vòng
ATP AMP
vòng
Adenyl cyclase
AMP
phosphodiesterase

21. 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 của
ribosome
– cGMP: tín hiệu nội tế bào hay chất truyền tin
thứ 2
9/26/2010 20

22. 9/26/2010 21

23. Các dẫn xuất khác
• UTP, UDP: coenzym trong chuyển hóa
glucid, hợp chất giàu NL
• CTP, CDP: hợp chất giàu NL
9/26/2010 22

24. DNA
Aciddeoxyribonucleic
9/26/2010 23

25. Thành phần của DNA
1. H3PO4
2. Deoxyribose
3. Base nitơ (A, G, C, T)
 dAMP, dGMP, dCMP,
dTMP.
9/26/2010 24

26. 9/26/2010 25

27. Liên kết phosphodiester
• Trục liên kết chính
gồm đường pentose
và gốc phosphat
• Ưa nước
• Các gốc OH của
đường đều hình
thành liên kết
hydrogen với phân
tử nước
• Nhóm phosphat
tích điện âm ở pH 7
9/26/2010 26

28. 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, phân
bố ion, hấp thụ ánh sáng UV (260 nm) của
acid nucleic
• Cộng hưởng giữa các nguyên tử trong
vòng làm cho các liên kết có đặc tính liên
kết đôi 1 phần
9/26/2010 27

29. • 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 trong
nước dễ hơn
9/26/2010 28
Đặc tính của base nitơ ảnh hưởng lên cấu
trúc 3 chiều của acid nucleic

30. Tương tác kị nước xếp chồng (hydrophobic
stacking interaction)
• Các base trong cấu trúc acid nucleic xếp
chồng lên nhau như xếp chồng các đồng
xu
• Các chồng base liên quan đến tương tác
Van der Waals và tương tác lưỡng cực giữa
các base
• Xếp chồng  ít tiếp xúc với nước và ổn
định cấu trúc 3 chiều của acid nucleic.
9/26/2010 29

31. 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 mang
điện tích âm cao đối lại với các base không
phân cực
• Liên kết hydro: duy trì khoảng cách giữa
hai trục đường phosphat
• Liên kết ion: muối giúp ổn định cấu trúc
duplex của DNA
9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 30

32. DNA
• Gồm 2 chuỗi
polynucleotid
xoắn đôi theo
hướng ngược
chiều nhau
• Đầu 5’: thiếu 1
nucleotid ở vị trí
5’
• Đầu 3’ : thiếu 1
nucleotid ở vị trí
3’
9/26/2010 31

33. Sự biến tính DNA
9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/images/chapter5/F05-14.jpg 32

34. 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 đó
một nửa lượng DNA bị tách rời
– Phương trình Marmur-Doty về tương quan
nhiệt độ chảy và hàm lượng G, C và muối
Tm=41.1 XG+C + 16.6 log[Na+] + 81.5
– G, C, muối cao thì Tm càng cao
9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 33

35. Rãnh lớn – rãnh nhỏ
 vị trí gắn của các protein điều hòa bằng các
liên kết hydro để kiểm soát biểu hiện gen
9/26/2010 34
Rộng 22Ao
Rộng 12Ao

36. 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 loài
nhưng không thay
đổi theo tuổi, trạng
thái dinh dưỡng,
môi trường.
9/26/2010 35

37. 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 sinh
lý
9/26/2010 36

38. 9/26/2010 37

39. 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

40. • Các trình tự đặc biệt có ảnh hưởng lên chức
năng và chuyển hóa của đoạn DNA trong
vùng lân cận.
• VD: gập khúc (bend) sẽ xuất hiện trong
chuỗi 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

41. Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp
9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 40
Trình tự acid nucleic đối xứng nhau hai lần, tự bổ
sung trong 1 mạch nên có thể tạo ra cấu trúc kẹp tóc
hoặc dạng chữ thập
Trình tự acid nucleic đối xứng nhau một lần, không thể hình
thành cấu trúc kẹp tóc hoặc chữ thập

42. 9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 41
Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp

43. 9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 42
Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp
Triplex formation
- Ổn định ở pH thấp
- Gồm 1 chuỗi dài chỉ gồm
basepurin và 2 chuỗi chỉ
gồm base pyrimidine hoặc
ngược lại

44. 9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 43
Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp
Hoogsten base pairing

45. 9/26/2010 http://www.siumed.edu/~bbartholomew/course_material/nucleic_acids.html 44
Một số dạng cấu trúc DNA ít gặp
G – tetraplex gặp
trong cấu trúc
telomere

46. Vai trò của những cấu trúc DNA đặc biệt
• DNA của tế bào sống luôn có những trình
tự đặc hiệu để giúp nhận biết protein gắn
kết.
• Trình tự đó có thể là dạng palindrome,
polypyrimidine, polypurin  tạo ra
những xoắn ba hoặc H – DNA
• Vùng có liên quan đến điều hòa biểu hiện
gen
9/26/2010 45

47. Vai trò của DNA
• Mang thông tin di truyền
• Làm khuôn cho sự chuyển mã và tái bản
9/26/2010 46

48. RNA
Acid ribonucleic
9/26/2010 47

49. 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

50. tRNA
• Nhánh tiếp nhận
• Nhánh đối mã
• Nhánh D (DHU)
• Nhánh T  C
9/26/2010 49

51. Nhánh tiếp nhận tRNA
• 7 cặp base
• Nhóm kết thúc: CCA
(5’ – 3’)
• Nhóm COOH của
acid amin gắn vào
nhóm 3’ – OH của
adenosin tạo liên kết
ester
9/26/2010 50

52. Nhánh đối mã của tRNA
• 5 đôi base
• 3 nucleotid đối mã
• Nhận mã ba tương ứng trên mRNA khuôn
9/26/2010 51

53. Các dạng RNA
9/26/2010 52

54. Vai trò sinh học của RNA
• Tham gia vào quá trình sinh tổng hợp
protein
• mRNA: khuôn cho sự tổng hợp
• rRNA: cấu trúc, hình thành ribosome, nơi
xảy ra sinh tổng hợp protein
• tRNA: vận chuyển acid amin đến
ribosome để tổng hợp protein
• snRNA: tham gia vào quá trình cắt mRNA
và điều hòa gen
9/26/2010 53

55. Thủy phân acid nucleic bằng nuclease
• Nuclease: enzym cắt đứt liên kết
phosphodiester
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

56. 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

57. 9/26/2010 56
CH3
CH3
CH3
CH3
RE
DNA vật chủ
DNA virus
xâm nhập

58. Các kiểu cắt
9/26/2010 57
• Đầu so le (sticky ends)
– EcoRI
• Đầu bằng (blunt ends)
– SmaI

59. 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 định danh đầu tiên Thứ tự định danh trong vi khuẩn

60. 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

61. 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

62. • 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

63. • Type III
– Nhận biết 2 trình tự bất đối xứng tách biệt có
chiều ngược nhau
– Cắt DNA thành đoạn dài khoảng 20 – 30 bp
sau vị trí nhận biết
9/26/2010 62
Phân loại

64. Ứng dụng
• Vector plasmid
• SNP (single
nucleotid
polymorphism
• PCR - RFLP
9/26/2010 63

65. Ví dụ về 1 số men cắt
9/26/2010 64
Enzyme Nguồn Trình tự nhận biết Cắt
EcoRI Escherichia coli
5'GAATTC
3'CTTAAG
5'---G AATTC---3'
3'---CTTAA G---5'
EcoRII Escherichia coli
5'CCWGG
3'GGWCC
5'--- CCWGG---3'
3'---GGWCC ---5'
BamHI
Bacillus
amyloliquefaciens
5'GGATCC
3'CCTAGG
5'---G GATCC---3'
3'---CCTAG G---5'
HindIII
Haemophilus
influenzae
5'AAGCTT
3'TTCGAA
5'---A AGCTT---3'
3'---TTCGA A---5'
TaqI Thermus aquaticus
5'TCGA
3'AGCT
5'---T CGA---3'
3'---AGC T---5'

66. Những sản phẩm tương tự nucleotid
– ức chế những enzym đặc hiệu của sự tổng hợp
acid nucleic
– Tác dụng lên sự kết hợp đôi base
– Allopurinol (4 – hydroxypyrazolopyrimidin) ức
chế tổng hợp purin và hoạt động của xanthin
oxidase trong điều trị bệnh gout
– Nucleosid chứa arabinose điều trị ung thư và
nhiễm virus
– 5 – flourouacil: điều trị ung thư
– 5 – iodo – 2’ – deoxyuridin: điều trị viêm giác mạc
do herpes
9/26/2010 65