NUCLEOTIDE VÀ ACID NUCLEIC

Hoá sinh học - 153 -
CHƯƠNG 6. NUCLEOTIDE VÀ ACID NUCLEIC

Cùng với protein, acid nucleic đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc bảo tồn
sự sống. Tuy nhóm hợp chất này đã được phát hiện hơn 100 năm về trước, cấu tạo,
tính chất và chức năng của chúng chỉ mới được hiểu biết một cách sâu sắc từ những
năm 50 của thế kỷ 20 nhờ ứng dụng những phương pháp nghiên cứu vật lý và hóa học
chính xác.
Trên cơ sở sự khác biệt về thành phần hóa học, acid nucleic được chia thành hai
nhóm lớn. Đó là acid ribonucleic (ARN) và acid deoxyribonucleic (ADN). ADN có
trọng lượng phân tử từ vài triệu đến vài trăm triệu, là thành phần không thể thiếu được
của nhiễm sắc thể trong nhân tế bào. Ngoài ra, ADN còn có mặt trong ti thể và lục
lạp. ARN có nhiều loại: ARN vận chuyển (tARN) có trọng lượng phân tử tương đối
nhỏ (25.000 – 35.000); ARN ribosome (rARN), nói chung, có trọng lượng phân tử khá
lớn (từ 1,7 đến 1,2 triệu), trừ một vài loại chỉ lớn hơn tARN một ít; ARN thông tin
(mARN) có trọng lượng phân tử từ 300.000 đến 4 triệu; ARN virus có trọng lượng
phân tử từ 1 đến 2 triệu. Ngoài ra, còn có một số ARN khác, chủ yếu là ARN phân tử
nhỏ mà cấu trúc và chức năng của chúng chưa được hiểu biết nhiều.
Đại bộ phận acid nucleic (cả ADN và ARN) là những biopolymer dạng sợi hình
thành từ các đơn vò cấu tạo (monomer) có tên chung là (mono)nucleotide. Mỗi
nucleotide được cấu tạo từ ba thành phần: monosaccharide, base nitơ và acid
phosphoric.
I. NUCLEOTIDE.
Phần lớn nucleotide, hay còn gọi là mononucleotide, là đơn vò cấu tạo của acid
nucleic. Chúng đưọc cấu tạo từ base nitơ, đường pentose và acid phosphoric.
Tất cả các nucleotide tham gia cấu
tạo nên acid nucleic đều chứa một trong
hai loại monosaccharide: β-D-ribose hoặc
2-β-D-deoxyribose.
Cả hai loại pentose này đều có
dạng cấu trúc vòng furanose. Cần lưu ý rằng, khi ở dạng tự do các nguyên tử carbon

trong phân tử được đánh số từ 1 đến 5, nhưng khi trở thành một bộ phận của phân tử
nucleotide, chúng phải được đánh số từ 1' đến 5' (để phân biệt với các nguyên tử
carbon trong base nitơ).
Ngoài ribose và deoxyribose, ribitol - sản phẩm khử của ribose - cũng có thể
tham gia trong thành phần cấu tạo của một số nucleotide đặc biệt.
Trong hai loại acid nucleic - acid ribonucleic và acid deoxyribonucleic - có 5
loại base nitơ thường gặp, 3 loại chung cho cả ADN và ARN (adenine, guanine và
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 154 -
cytosine), loại thứ tư (uracil) đặc trưng cho ARN, còn loại thứ 5 (thymine) hầu như chỉ
có mặt trong ADN.


Hình IV.1. Công thức cấu tạo của các base nitơ chủ yếu.

Adenine và guanine là dẫn xuất của purine và do đó được xếp vào nhóm base
purine; 3 base còn lại là dẫn xuất của pyrimidine và do đó được xếp vào nhóm base
pyrimidine.
Thymine cũng được xem
là một base thứ yếu
trong thành phần cấu tạo
cảa ARN; ngược lại,
uracil là base thứ yếu
trong ADN. Cấu trúc của
các base chủ yếu được
trình bày trong hình
IV.1. Cách đánh số các
nguyên tử carbon và nitơ
trong mỗi phân tử base

được giới thiệu qua các
đại diện là purine và
pyrimidine. Từ công
thức cấu tạo của các
base chủ yếu ta có thể
dễ dàng viết công thức
Hình IV.2. Hiện tượng hỗ biến ở các base chứa oxy
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 155 -
cấu tạo của các base thứ
yếu trên cơ sở tên gọi
của chúng.

Đặc điểm quan trọng của các dẫn xuất chứa oxy của purine và pyrimidine là khả
năng hỗ biến, tức chuyển hóa tương hỗ giữa các dạng enol (lactim) và cetone (lactam)
(hình IV.2):
Ngoài các base chủ yếu nói trên, trong một số loại acid nucleic, đặc biệt là
trong ARN vận chuyển (tARN) và ARN ribosom (rARN), còn hay gặp một số base
khác với hàm lượng không lớn. Chúng được gọi là các base thứ yếu, phần lớn là các
dẫn xuất hydrogen hóa, methyl hóa, oxymethyl hóa của các base chủ yếu, ví dụ
dihydrouracil (UH
2
),2-methyladenine (A-CH
3
), 5-oxymethyl-cytosine (C-OCH
3
) v.v.
Tất cả các base nitơ đều hấp thụ ánh sáng mạnh nhất trong vùng phổ cực tím.
Tính chất này được ứng dụng để xác đònh hàm lượng acid nucleic và các sản phẩm

thủy phân của chúng.
Khi một base nitơ liên kết với một pentose bằng liên kết N-glycoside sẽ tạo ra
các sản phẩm có tên chung là nucleoside. Tùy thuộc ở chỗ loại pentose nào và loại
base nào tham gia cấu tạo nên nucleoside mà mỗi loại có tên gọi riêng của mình. Trên
cơ sở thành phần pentose người ta phân biệt hai loại nucleoside là ribonucleoside
(pentose là ribose) và deoxyribonucleoside (pentose là deoxyribose). Ở cách nhìn
khác, các nucleoside lại được phân biệt là purine nucleoside hay pyrimidine nucleoside
tùy thuộc ở chỗ base purine hay base pyrimidine tham gia trong thành phần cấu tạo
của chúng. Cần lưu ý rằng trong các purine-nucleoside liên kết glycoside hình thành
giữa C-1' với N-9, trong khi đó các pyrimidine nucleoside - giữa C-1' với N-1. Công
thức cấu tạo của một số nucleoside điển hình được giới thiệu trong hình VI.3. Thông
qua các công thức cấu tạo này ta có thể hình dung công thức cấu tạo của các
nucleoside khác.
Nucleoside được gọi tên theo base nitơ theo nguyên tắc:
- Nếu base là dẫn xuất của purine thì đuôi "- ine" được đổi thành "-osine", ví dụ:
adenosine, guanosine;
- Nếu base là dẫn xuất của pyrimidine thì đuôi "-acil" hoặc "-ine" được đổi thành
"-idine", ví dụ: cytidine, uridine, thymidine.
Pseudouridine (ψ) trong hình IV.3 là một trường hợp đặc biệt, hầu như chỉ gặp
trong tARN với tỉ lệ rất thấp.
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 156 -
Từ các công thức cấu tạo trong hình VI.3 ta có thể hình dung công thức cấu taọ
của các nucleotide khác với sự tham gia của guanine, cytidine, uracil, thymin v.v...


Hình IV.3 . Cấu tạo của một số nucleoside điển hình.
Khi một nucleoside kết hợp với
một gốc phosphate bằng liên kết

ester thông qua một trong các nhóm -
OH còn lại của gốc pentose sẽ tạo ra một
nucleotide tương ứng. Điều đó có nghóa là
mỗi ribonucleoside có thể tạo ra ba loại
nucleotide, trong đó gốc phosphate có thể
gắn tại C-2', C-3' hoặc C-5'; trong khi đó
mỗi deoxyribonucleoside chỉ tạo ra hai
loại nucleotide tương ứng vì tại C-2' không
có nhóm -OH để tương tác với phosphate.
Tùy thuộc vào vò trí gắn gốc phosphate mà
sản phẩm được gọi là 2'-, 3'- hay 5'-
nucleotide. Chúng cũng còn được gọi
tương ứng là2'-, 3'- hay 5'-nucleoside
monophosphate, viết tắt là 2'-NMP,
3'-NMP và 5'-NMP. Trong tế bào chủ
yếu tồn tại các loại 3'- và 5'-
Hình IV.4. Cấu tạo của các loại 5'-
, 3'-và 2'-nucleotide
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 157 -
nucleotide. Cấu tạo của các loại
nucleotid này được giới thiệu trong
hình IV.4 với base nitơ là adenine.
Trong bảng IV.1 giới thiệu tên gọi và cách viết tắt của một số ribonucleoside và
ribonucleotide phổ biến. Trong trường hợp gốc mono-saccharide là deoxyribose, tên
gọi của các nucleoside và nucleotide được thêm tiếp đầu ngữ "deoxy-", và trước các
ký hiệu viết tắt thêm chữ "d", ví dụ deoxyadenosine, acid deoxyadenylic,
deoxyadenosine monophosphate, dAMP, dA.
Bảng IV.1. Tên gọi và cách viết tắt của một số nucleotide.

B
as
e
ni
tơ
Nucle
oside
Nucleotide Viết tắt
Adenine Adenosine
Acid adenylic
Adenosine monophosphate
AMP, A
Guanine Guanosine
Acid guanilic
Guanosine monophosphate
GMP, G
Cytosine Cytidine
Acid cytidilic
Cytidine monophosphate
CMP, C
Uracil Uridine
Acid uridilic
Uridine monophosphate
UMP, U
Thymine Thymidine
Acid thymidilic
(Deoxy)Thymidine momophosphate
dTMP, T
Ngoài các nucleotide giới thiệu trên đây có chức năng chủ yếu là tham gia cấu
tạo nên các đại phân tử acid nucleic, còn có một số nucleotide khác có các vai trò

quan trọng khác trong đời sống của tế bào (hình IV.5).
Trước hết, đó là các nucleotide vòng. Những nucleotide loại này hình
thành khi gốc phosphate liên kết ester đồng thời với hai nhóm -OH của gốc
ribose. Ví dụ điển hình là hai loại AMP vòng (cAMP). Đó là 2'-3'-cAMP và 3'-
5'-AMP. 3'-5'-cAMP đóng vai trò quan trọng trong một số quá trình điều hòa
trao đổi chất, còn 2'-3'-cAMP là sản phẩm trung gian của quá trình phân
giải ARN dưới tác dụng của một số enzyme ribonuclease.
Nhóm nucleotide đặc biệt thứ hai là các nucleoside polyphosphate, bao gồm
nucleoside diphosphate (NDP), ví dụ ADP, và nucleoside triphosphate (NTP), ví dụ
ATP. Tính chất đặc biệt của các NDP và NTP là ở chỗ một hoặc hai gốc phosphate
nữa được gắn vào phân tử nucleoside monophosphate bằng các liên kết giàu năng
lượng (liên kết cao năng) mà người ta thường ký hiệu bằng dấu ~, như mô tả trong
hình IV.5. Nhờ sự tồn tại của các liên kết cao năng này nên các NDP và đặc biệt là
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 158 -
các NTP đóng vai trò quan trọng trong trao đổi năng lượng của tế bào và tham gia
hoạt hóa nhiều hợp chất trung gian của các quá trình trao đổi chất.
Nhóm nucleotide đặc biệt thứ ba bao gồm những hợp chất mà thành phần base
nitơ và monosacchride của chúng thường không giống như đã mô tả ở trên. Ví dụ điển
hình cho nhóm nucleotide đặc biệt này là nicotinamide mononucleotide (NMN),
flavine mononucleotide (FMN) và coenzyme A (CoA-SH) mà công thức cấu tạo của
chúng được giới thiệu trong hình IV. 5. Do có khả năng oxy hóa-khử thuận nghòch,
nên NMN và FAD tham gia trong hàng loạt các enzyme oxyhóa-khử với tư cách là
coenzyme. Trong khi đó CoA-SH đóng vai trò rất quan trọng trong trao đổi lipid và
một số quá trình trao đổi chất khác. NMN và FMN còn là thành phần cấu tạo của các
coenzyme oxyhóa-khử phức tạp hơn. Đó là các dinucleotide NAD
+
, NADP
+

và FAD
(hình IV.6).




GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 159 -

Hình IV.5. Cấu tạo của một số nucleotide có chức năng đặc biệt



Hình IV.6. Cấu tạo của NAD
+
, NADP
+
và FAD.
II. POLYNUCLEOTIDE
Cơ sở cấu trúc của acid nucleic là các chuỗi polynucleotide cấu tạo từ nhiều đơn
vò (mono)nucleotide. Trong những chuỗi này các mononucleotide nối với nhau bằng
các liên kết 3'-5'-phosphodiester như mô tả trong hình 4.7. Các chuỗi polynucleotide
thường chứa từ hàng chục đến hàng trăm gốc mononucleotide. Tuy nhiên, cũng có
những chuỗi polynucleotide ngắn, chứa không quá 10 gốc nucleotide và chúng được
gọi chung là oligonucleotide (bao gồm di-, tri-, tetra-, penta-,hexanucleotide v.v...).
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 160 -
Người ta phân biệt hai loại polynucleotide là polyribonucleotide - cơ sở cấu trúc

của ARN, và polydeoxy-ribonucleotide - cơ sở cấu trúc của ADN. Trong hình IV.7A
giới thiệu một đoạn polynucleotide để ta có thể hình dung sự hình thành liên kết 3'-5'-
phosphodiester. Để mô tả thành phần và trật tự sắp xếp của các gốc nucleotide
trong những chuỗi polynucleotide ngắn, người ta thường dùng kiểu mô hình đơn giản
như trình bày trong hình IV.7B. Kiểu mô tả này cho phép phân biệt hai thành phần
trong liên kết phosphodiester, tức liên kết a nối gốc phosphate với C-3' và liên kết b
nối gốc phosphate với C-5', qua đó tạo ra cầu nối 3'-5'-phosphodiester giữa hai
nucleotide kế cận. Việc phân biệt liên kết a với liên kết b có ý nghóa rất quan trọng do
hai kiểu liên kết này mang tính đặc hiệu khác nhau đối với các enzyme thủy phân acid
nucleic. Đối với các chuỗi poly-nucleotide dài, không thể sử dụng kiểu mô tả này vì sẽ
rất cồng kềnh, và người ta thường dùng kiểu mô tả bằng dãy chữ cái A, G, C, U hoặc
T, tức chữ cái đầu tiên của tên tiếng Anh các base nitơ như trình bày qua ví dụ trong
hình IV.7C. Trong trường hợp đối với ADN trước dãy chữ cái này, tức ở đầu tận cùng
5’ của chuỗi polypeptide, viết thêm chữ d (deoxy-), ví dụ dpApGpTp...

Hình IV.7. Cấu tạo của polynucleotide

III. ADN, NHIỄM SẮC THỂ VÀ MẬT MÃ DI TRUYỀN.
Các chuỗi polydeoxyribonucleotide của ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotide
là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP. Ngoài ra, đôi khi người ta còn tìm thấy một lượng
nhỏ các dẫn xuất methyl-hóa của các nucleotide này, ví dụ 6-methytladenine, 5-
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học

Hoá sinh học - 161 -
methylcyto-sine v.v... được tìm thấy trong nhiều loại ADN của vi khuẩn, động vật và
thực vật. Thành phần và trật tự sắp xếp của nucleotide trong các chuỗi
polydeoxyribonucleotide, tức cấu trúc bậc 1 của ADN vô cùng đa dạng. Sự đa dạng
này chính là cơ sở của tính đa dạng của thế giới sinh vật, bởi vì, như ta sẽ thấy sau
này, nó là cơ sở của quá trình tiến hóa và liên quan mật thiết với tính di truyền.
Để hiểu rõ chức năng sinh học của ADN, bên cạnh nhu cầu xác đònh cấu
trúc bậc 1 còn cần phải hiểu rõ cấu trúc không gian của chúng. Mô hình cấu trúc
không gian của phân tử ADN được xây dựng trên cơ sở hàng loạt nghiên cứu trong
lónh vực sinh học phân tử, trong đó quan trọng nhất là các công trình của Chargaff và
của Franklin và Wilkins.
Sau nhiều năm nghiên cứu (1949-1953), Chargaff và những người cộng tác của
ông đã nêu lên những kết luận quan trọng về đặc điểm hóa học của ADN trong tế bào.
Những kết luận này ngày nay được mọi người công nhận và gọi là các quy luật
Chargaff. Đó là:
1/ Các chế phẩm ADN tách từ các mô khác nhau của cùng một cơ thể có thành
phần nucleotide như nhau;
2/ Thành phần nucleotide của ADN trong cơ thể thuộc các loài khác nhau là
không giống nhau;
3/ Thành phần nucleotide của ADN trong cơ thể thuộc một loài nào đó không
phụ thuộc vào tuổi, điều kiện dinh dưỡng và điều kiện môi trường;
4/ Hầu như trong tất cả các chế phẩm ADN đã nghiên cứu số gốc adenine bằng
số gốc thymine (A = T), còn số gốc guanine bằng số gốc cytosine (G = C). Điều đó
dẫn đến số gốc purine bằng số gốc pyrimidine (A+G = C+T);

5/ ADN của các loài vốn có quan hệ về mặt hệ thống học càng gần nhau thì có
thành phần nucleotide càng giống nhau; còn các loài cách xa nhau trong quá trình tiến
hóa thì khác nhau khá rõ về thành phần nucleotide. Có nghóa là thành phần nucleotide
của ADN có thể được sử dụng như một trong những cơ sở của phân loại học.
Các nhà khoa học này cũng phát hiện được rằng ở động vật và thực vật, tức
những cơ thể bậc cao chỉ có ADN thuộc kiểu AT, tức A+T > G+C, trong khi đó ADN ở
vi khuẩn gồm cả hai kiểu AT và GC.
Hàm lượng như nhau (tính theo mol) của một số base trong ADN cho phép giả
đònh rằng nét cấu trúc đặc trưng của ADN là sự tồn tại những mối quan hệ hoàn toàn
xác đònh giữa số lượng các base khác nhau.
Song song với phát hiện của Chargaff, kết quả phân tích cấu trúc bằng tia Rơn-
ghen do Franklin và Wilkins thực hiện trong những năm 1950-1953 với những chế
GS.TS. Mai Xuân Lương Khoa Sinh học