Di truyền phân tử ( phần 6 ) Cấu trúc của các chuỗi polynucleotide pptx

Di truyền phân tử ( phần 6 )
Cấu trúc của các chuỗi polynucleotide
Các nucleotide trong DNA hoặc RNA nối với nhau bằng các mối liên kết
đồng hoá trị (covalent) có tên là liên kết 3',5'-phosphodiester giữa gốc
đường của nucleotide này với nhóm phosphate của nucleotide kế tiếp, tạo
thành chuỗi polynucleotide. Vì vậy các chuỗi này bao giờ cũng được kéo
dài theo chiều 5'→3' (đầu 5' mang nhóm phosphate tự do và đầu 3' chứa
nhóm -OH tự do). Chúng có bộ khung vững chắc gồm các gốc đường và
phosphate xếp luân phiên nhau, còn các base nằm về một bên. Trình tự
các base vì vậy được đọc theo một chiều xác định 5'→3'. Đây là cấu trúc
hoá học sơ cấp của DNA và RNA (Hình 2.8 và 2.9).


Hình 2.8 Mô hình cấu trúc chuỗi polynucleotide DNA. Ở đây cho thấy
các vị trí 5'-phosphate và 3'-hydroxyl cũng như đường deoxyribose và
liên kết phosphodiester nối giữa các gốc đường này.
Thông thường người ta biểu diễn trình tự base 5'→3' theo chiều từ trái
sang phải. Hình 2.8 cho thấy các chuỗi DNA và RNA chỉ khác nhau bởi
base U hoặc T và gốc đường trong các nucleotide của chúng. Nếu bỏ qua
sự khác biệt về gốc đường, ta có thể hình dung trình tự các base của hai
chuỗi polynucleotide của DNA và RNA đều sinh trưởng theo chiều từ 5'
đến 3' (5'→3'), như sau:
Chuỗi DNA: (5') pApApTpTpCpTpTpApApApTpTpC -OH (3')
Chuỗi RNA: (5') pApApUpUpCpUpUpApApApUpUpC -OH (3')




Hình 2.9 Cấu trúc chuỗi polynucleotide của DNA (a) và của RNA (b).
Các chuỗi polynucleotide bao giờ cũng được tổng hợp (kéo dài) theo
chiều 5'→3'; chúng có bộ khung "đường-phosphate" rất vững chắc và

trình tự base được viết theo quy ước từ trái (đầu 5') sang phải (đầu 3')
đối với chuỗi DNA ở đây như sau: 5' dGdAdCdT 3', còn đối với chuỗi
RNA là 5' GACU 3'.
Cần lưu ý rằng, các hợp chất cho polymer hoá là các nucleoside
triphosphate, nhưng các monomer của một nucleic acid là
monophosphate. Phản ứng trùng hợp này được xúc tác bởi các enzyme
tương ứng là DNA- hoặc RNA polymerase và sinh ra các pyrophosphate
(có thể xem thêm trong: tái bản DNA và phiên mã ; chương 5 và 6).
Các oligonucleotide là những nucleic acid ngắn (nghĩa là có độ dài dưới
100 nucleotide). Các oligoribonucleotide tồn tại trong tự nhiên và được
sử dụng như là những đoạn mồi (primer) trong tái bản DNA và cho các
mục đích khác nhau trong tế bào (xem chương 5). Các oligonucleotide
tổng hợp có thể tạo ra bằng sự tổng hợp hoá học và là nguyên liệu thiết
yếu cho các kỹ thuật thí nghiệm [ví dụ như dùng để giải mã di truyền,
chương 6; có thể tham khảo thêm các kỹ thuật xác định trình tự DNA
(DNA sequencing), phản ứng trùng hợp chuỗi bằng polymerase
(polymerase chain reaction), lai in situ (in situ hybridization), mẫu dò
nucleic acid (nucleic acid probe), lai nucleic acid (nucleic acid
hybridization), liệu pháp gene (gene therapy); các chương 3-6].
Cấu trúc của các nucleotide
1. Cấu trúc của các nucleoside
Các base và đường trong RNA và DNA được nối với nhau thành các đơn
vị gọi là nucleoside. Mỗi nucleoside được tạo thành do một base nối với
một đường pentose tại vị trí C
1'
bằng một liên kết β-N-glycosid . Cụ thể là,
nguyên tử carbon C
1'
của đường nối với nguyên tử N
1

của pyrimidine
hoặc với nguyên tử N
9
của purine (xem các Hình 2.4 - 2.6).


Hình 2.4 Cấu trúc của bốn loại deoxynucleoside trong DNA.
Tên gọi chính thức hay danh pháp của các nucleoside bắt nguồn từ các
base tương ứng, trong đó các nucleoside là dẫn xuất của purine có đuôi -
osine và các dẫn xuất của pyrimidine có đuôi -idine (Bảng 2.1).
2. Cấu trúc của các nucleotide
Đơn vị cấu trúc cơ sở của các nucleic acid là các nucleotide. Các
nucleotide là những ester phosphate của các nucleoside. Hiện tượng ester
hoá (esterification) có thể xảy ra ở bất kỳ nhóm hydroxyl tự do nào,
nhưng phổ biến nhất là ở các vị trí 5' và 3' trong các nucleic acid.
Về cấu trúc, mỗi nucleotide gồm ba thành phần kết dính với nhau như
sau: gốc đường pentose nối với một base tại C
1'
bằng một liên kết β-
glycosid và nối với nhóm phosphate tại C
5'
bằng một liên kết
phosphomonoester (Hình 2.5 và 2.6).

Hình 2.5 Cấu trúc của một deoxyribonucleotide (dAMP, bên trái) và một
ribonucleotide (UMP). Ở đây cho thấy các mối liên kết N-glycosid và
ester.
Như thế tính phân cực trong cấu trúc một nucleotide thể hiện ở các nhóm
hydroxyl thuộc hai vị trí C
5'

(tạo liên kết ester với nhóm phosphate trong
từng nucleotide) và C
3'
(tạo liên kết phosphodiester với nucleotide khác
trong chuỗi polynucleotide).


Hình 2.6 Cấu trúc chi tiết của bốn loại deoxyribonucleotide trong DNA.
Ở đây cũng chỉ ra danh pháp của các nucleoside và nucleotide.
3. Cấu trúc của các nucleoside di- và triphosphate
Như đã đề cập, mỗi nhóm phosphate (phosphate group) được nối với
vòng của gốc đường bằng một liên kết phosphomonoester, và nhiều nhóm
phosphate có thể nối nhau thành một dãy bằng các liên kết
phosphoanhydride (hình 2.7). Sự ester hoá ở C
5'
có thể đi với mono-, di-
hoặc triphosphate (nguyên tử phosphor P được đánh dấu tương ứng với
các vị trí từ C
5'
hướng ra ngoài là α, β và γ). Các nucleoside 5'-
triphosphate là những hợp chất cho tổng hợp nucleic acid. Hai nhóm
hydroxyl cũng có thể được ester hoá bằng cách nối cùng một nhóm
phosphate để sinh ra một nucleotide vòng (cyclic nucleotide), ví dụ
cAMP là 3'-5'-cyclic phosphate (đóng vai trò tải nạp tín hiệu, điều hoà
dương tính operon lactose; xem chương 6).
Bảng 2.1 Danh pháp các nucleoside của RNA và DNA
Base Nucleoside (RNA)
Deoxynucleoside
(DNA)
Purine

Adenine Adenosine = A deoxyadenosine = dA

Guanine Guanosine = G deoxyguanosine = dG

Hypoxanthine*

Inosine* = I Không có
Pyrimidine

Cytosine Cytidine = C deoxycytidine = dC

Thymine Thường không có
(deoxy)thymidine =
dT**
Uracil Uridine = U Thường không có
Ghi chú: * Đây là dạng hiếm, có mặt trong thành phần của các RNA vận
chuyển. ** Bởi vì thymine thường không có trong RNA, nên tiếp đầu
ngữ "deoxy" chỉ cho loại deoxynucleoside này thường được lượt bỏ và
gọi tắt là thymidine. Tuy nhiên, trong các RNA vận chuyển thường có
ribothymidine chứa đường ribose.

(a) (b)
Hình 2.7 (a) Cấu trúc chi tiết của các nucleotide adenosine ở ba trạng thái
mono-, di- và triphosphate; và (b) nicotinamide adenosine diphosphate
(NADP).
Nói chung, các nucleotide thường có tính acid mạnh và tan trong nước.
Các nucleoside monophosphate được xem là các axit đúng như tên gọi
phản ảnh (ví dụ AMP là adenylic acid hay adenylate); chúng có sự ion
hoá sơ cấp với pKa 1-2 và ion hoá thứ cấp với pKa 6,5-7,0, như sau:

-H
2
PO
3
↔ -HPO
3
-
+ H
+
↔ PO
3
-2
+ H
+

Tất cả các phosphate của các nucleoside di- và triphosphate đều ion hoá,
nhưng chỉ nhóm tận cùng là có ion hoá thứ cấp. Các nucleotide này đều
có ái lực với cation hoá trị hai như Mg
2++
và Ca
2++
(chúng tương tác với
các nhóm phosphate α và β hoặc β và γ).