Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

ĐẠI CƯƠNG NUCLEOTIDE

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Đại cương

Các Nu có thể được xem như một trong những sản phẩm chuyển hóa quan trọng của tế bào. Nu được tìm thấy chủ yếu như các đơn vị đơn thể bao gồm các acid nucleic chủ chốt của tế bào, RNA và DNA. Tuy nhiên, chúng được đòi hỏi cho nhiều hoạt động chức năng khác của tế bào. Ví dụ:

1.Dự trữ năng lượng để sử dụng cho phản ứng vận chuyển phosphate trong tương lai. Các phản ứng này được thực hiện chủ yếu bởi ATP.

2.Hình thành bộ phận của vài coenzym quan trọng như NAD+, NADP+, FAD và coenzym A.

3.Là yếu tố dàn xếp của nhiều quá trình nội bào quan trọng như chất truyền tin thứ 2 trong các hiện tượng chuyển nạp.Chất truyền tin thứ hai chiếm ưu thế là AMP vòng (cAMP), một dẫn xuất dạng vòng của AMP hình thành từ ATP.

4.Điều khiển nhiều phản ứng thuộc enzym qua những tác động dị lập thể trên hoạt động enzym.

5.Là trung gian hoạt hóa trong nhiều phản ứng sinh tổng hợp bao gồm  S-adenosylmethionine (S-AdoMet or SAM) liên quan đến phản ứng vận chuyển methyl cũng  như các Nu được ghép cặp với đường liên quan đến tổng hợpprotein và glycoprotein.

Cấu trúc và danh pháp Nucleoside and Nucleotide

Các Nu được tìm thấy trong tế bào là các dẫn xuất dị vòng của các hợp chất cơ bản bậc cao , purine và pyrimidine.

Purine

Pyrimidine

Bản chất kiềm hóa học của các nucleotide đã cho chúng một thuật ngữ phổ biến "base" khi chúng kết hợp với các nucleotide hiện diện trong DNA và RNA. Có năm base chủ yếu được tìm thấy trong các tế bào. Các dẫn xuất của purine được gọi là adenine và guanine, và các dẫn xuất của pyrimidine được gọi là thymine, cytosine và uracil. Các chữ viết tắt thường được sử dụng cho các base là, A, G, T, C và U.

Cấu trúc khung

(X=H)

Nucleoside X= ribose hay deoxyribose

Nucleotide X=ribose phosphate

Cytosine, C

Cytidine, C

Cytidine monophosphate, CMP

Uracil, U

Uridine, U

Uridine monophosphate, UMP

Thymine, T

Thymidine, T (only deoxyribose)

Thymidine monophosphate, TMP

Adenine, A

Adenosine, A

Adenosine monophosphate, AMP

Guanine, G

Guanosine, G

Guanosine monophosphate, GMP

 

Các base purine và pyrimidine trong các tế bào được liên kết với carbohydrate và theo hình thức này được gọi là nucleoside. Các nucleoside gắn với D-ribose hoặc 2'-deoxy-D-ribose thông qua một liên kết β-N-glycosidic giữa cacbon anomeric của ribose và N9 của purine hoặc N1 của pyrimidine.

Các base có thể tồn tại trong 2 định hướng riêng biệt về cầu N-glycosidic. Những cấu tạo được xác định là syn hay anti. Các cấu trúc anti chiếm ưu thế hơn trong tự nhiên.

 

 

 

syn-Adenosine

anti-Adenosine

Nucleoside được tìm thấy trong các tế bào chủ yếu ở dạng phosphoryl hóa của chúng. Chúng được gọi là nucleotide. Các vị trí phổ biến nhất của sự phosphoryl hóa các nucleotide được tìm thấy trong các tế bào là các nhóm hydroxyl thuộc carbon 5'của ribose. Các nguyên tử carbon của ribose hiện diện ở nucleotide được thiết kế với một  dấu (')  để phân biệt với số khung cacbon trong các base. Nucleotides có thể tồn tại ở dạng mono-, di-, tri-phosphoryl hóa .

Nucleotides có những chữ viết tắt khác nhau cho phép xác định dễ dàng cấu trúc và tình trạng  phosphoryl hóa. Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine (adenosine-5'-monophosphate) được viết là AMP. Di-và tri-phosphoryl hóa tương ứng được viết là ADP và ATP, tương ứng. Việc sử dụng các chữ viết tắt chỉ ra rằng nucleotide đang trong các dạng nào của phosphoryl hóa đầu 5’. Di và tri-phosphate của nucleotide được liên kết bởi các cầu anhydric acid. Cầu nối Acid anhydrit có một ΔG0 cao cho sự thủy phân nhằm tạo điện thế cao để vận chuyển các phosphatetới các phân tử khác. Đó là thuộc tính của các nucleotide màdẫn đến sự tham gia của chúng trong các phản ứng chuyển nhóm trong tế bào.

Các nucleotide được tìm thấy trong DNA là duy nhất từ những RNA trong đó ribose tồn tại trong các hình thức 2'-deoxy và các chữ viết tắt của nucleotide có chứa một "d" . Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine tìm thấy trong DNA (deoxyadenosine-5'-monophosphate) được viết là damp.

Uridine nucleotide không bao giờ được tìm thấy trong DNA và thymine thì hầu như chỉ tìm thấy trong DNA. Thymine được tìm thấy trong RNA vận chuyển  nhưng không có trong rRNAs và mRNA. Có một số base ít phổ biến được tìm thấy trong DNA và RNA. Base sửa đổi chính trong DNA là 5-methylcytosine. Một loạt các base sửa đổi xuất hiện trong RNA vận chuyển . Nhiều uncleotide sửa đổi được bắt gặp ở bên ngoài nội dung của DNA và RNA phục vụ các chức năng sinh học quan trọng.

 

Dẫn xuất adenosine

 

Dẫn xuất adenosine phổ biến nhất là hình thức  dạng vòng, 3'-5'-cyclic adenosine monophosphate, cAMP. Hợp chất này là một chất truyền tin thứ hai liên quan đến các hiện tượng chuyển nạp  từ bề mặt tế bào đến các protein bên trong, ví dụ protein kinase phụ thuộc cAMP-, pKa (xem hình dưới đây). PKA phosphoryl một số protein, do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của chúng có thể tích cực hoặc tiêu cực. Cyclic-AMP cũng tham gia vào quy định các kênh ion bằng cách tương tác trực tiếp với các protein kênh, ví dụ như kích hoạt các thụ thể mùi bởi các phân tử thơm.

Sự hình thành cAMP xảy ra trong phản ứng để kích hoạt các thụ thể bắt cặp với adenylate cyclase. Các thụ thể này có thể có nhiều loại, ví dụ: thụ thể hormon hoặc các thụ thể mùi.

Hình 12.1: Minh họa lộ trình cAMP/PKA

Hình 12.2: Cơ chế tác dụng và vai trò của PKA.

Lộ trình đại diện cho sự kích hoạt của cAMP phụ thuộc protein kinase, PKA. Trong ví dụ này, glucagon liên kết với các thụ thể của nó trên bề mặt tế bào, do đó kích hoạt các thụ thể. Sự kích hoạt các thụ thể thì bắt cặp với sự kích hoạt của một thụ thể proteinG bắt cặp (nối GTPvà protein thủy phân ) bao gồm 3 tiểu đơn vị. Sau khi kích hoạt tiểu đơn vị α  phân ly và liên kết và kích hoạt adenylate cyclase. Adenylate cylcase sau đó chuyển đổi ATP thành AMP vòng (cAMP). cAMP do đó sản xuất sau đó liên kết với các tiểu đơn vị quản lý PKA dẫn đến phân ly của các tiểu đơn vị xúc tác liên quan. Các tiểu đơn vị xúc tác không hoạt động cho đến khi không còn phân ly các tiểu đơn vị quy định. Sau khi giải phóng tiểu đơn vị xúc tác của nhiều cơ chất phosphoryl hóa PKA bằng cách sử dụng ATP là nhà cung cấp phosphate.

S-adenosylmethionine là một dạng kích hoạt methionine phục vụ như là một nhà cung cấp methyl trong các phản ứng methyl hóa và là một nguồn propylamine trong quá trình tổng hợp polyamines.

Cấu trúc và tổng hợp S-adenosylmethionine

Dẫn xuất Guanosine

 

Một dạng GMP vòng (cGMP) cũng được tìm thấy trong các tế bào có liên quan đến như là một chất truyền tin thứ hai. Trong nhiều trường hợp có vai trò là phản kháng những tác động của cAMP.Sự hình thành của cGMP xảy ra phản ứng với tín hiệu qua trung gian thụ thể tương tự như kích hoạt của adenylate cyclase. Tuy nhiên, trong trường hợp này là guanylate cyclase bắt cặp với các thụ thể.

cGMP quan trọng nhất cùng dòng thác dẫn truyền tín hiệu là cảm quang. Tuy nhiên, trong trường hợp này kích hoạt của rhodopsin (trong các thanh) hoặc opsins khác (trong các tế bào hình nón) bằng cách hấp thụ một photon của ánh sáng (thông qua 11-cis-võng mạc liên kết cộng hóa trị kết hợp với rhodopsin và opsins) kích hoạt sự truyền tính trạng mà lần lượt kích hoạt một liên kết phosphodiesterase đặc hiệu cGMP thủy phân cGMP thành GMP. Điều này làm giảm nồng độ hiệu quả của cGMP bị ràng buộc vào các kênh ion  dẫn đến đóng cửa và một ưu phân cực đồng thời của tế bào.

Dẫn xuất Nucleotide trong tRNAs

25% các nucleotide được tìm thấy trong RNA vận chuyển  được sửa đổi sau phiên mã. Ít nhất 80 nucleotide khác nhau sửa đổi đã được xác định tại 60 vị trí khác nhau trong RNA vận chuyển khác nhau. Hai loại phổ biến nhất làm nucleotide thay đổi được là dihydrouridine (viết tắt là D) và pseudouridine (viết tắt là Ψ) mỗi trong số đó được tìm thấy trong một cấu trúc vòng đặc trưng trong RNA vận chuyển . Dihydrouridine được tìm thấy trong D-loop và pseudouridine được tìm thấy trong vòng lặp TΨC .

Dẫn xuất Pyrimidine

Dẫn xuất Purine

Tổng hợp Chất tương tự Nucleotide

Các chất tương tự nucleotide được tổng hợp hoá học và sử dụng khả năng chữa trị của chúng. Các chất tương tự nucleotide có thể được sử dụng để ức chế hoạt động cụ thể của enzyme. Một nhóm lớn  các chất tương tự được sử dụng như chất chống khối u, ví dụ, bởi vì chúng can thiệp vào sự tổng hợp DNA và do đó ưu tiên tiêu diệt các tế bào phân chia nhanh chóng như các tế bào ung thư. Một số các chất tương tự nucleotide thường được sử dụng trong hóa trị là 6-mercaptopurine, 5-fluorouracil, 5-iodo-2'-deoxyuridine và 6-thioguanine. Mỗi hợp chất phá vỡ quá trình sao chép bình thường bằng cách can thiệp với sự hình thành của cấu trúc Watson-Crick.

Các chất tương tự nucleotide cũng đã được sử dụng như các tác nhân kháng virus. Một số các chất tương tự được sử dụng để can thiệp vào sự sao chép của HIV, chẳng hạn như AZT (Azidothymidine) và ddI (dideoxyinosine).

Một số các chất tương tự purine được sử dụng để điều trị bệnh gout. Phổ biến nhất là allopurinol, giống như hypoxanthine. Allopurinol ức chế hoạt động của xanthine oxidase, một loại enzyme có liên quan trong  sinh tổng hợp purine . Ngoài ra, một số chất tương tự nucleotide được sử dụng sau khi cấy ghép nội tạng để ức chế hệ miễn dịch và làm giảm khả năng thải ghép của cơ thể người.

 

Polynucleotides

 

Polynucleotides được hình thành bằng cách ngưng tụ hai hay nhiều nucleotide. Ngưng tụ các chất phổ biến nhất xảy ra giữa rượu của một phosphate 5'-nucleotide và 3'-hydroxyl , với việc loại bỏ H2O, tạo thành một liên kết phosphodiester. Sự hình thành của cầu phosphodiester trong DNA và RNA tạo ra một sự định hướng. Các cấu trúc chính của DNA và RNA (sự sắp xếp tuyến tính của các nucleotide)  thu được theo hướng 3 '->5'. Đại diện phổ biến của cấu trúc chính của các phân tử DNA hoặc RNA là các chuỗi nucleotide từ trái sang phải đồng nghĩa với hướng 5'-> 3 'như được hiển thị:

5'-pGpApTpC 3 '

 

Cấu trúc của DNA

Sử dụng dữ liệu nhiễu xạ tia X, thu được từ các tinh thể DNA, James Watson và Francis Crick đã đề xuất một mô hình cho cấu trúc của DNA. Mô hình này (sau đó được xác nhận bởi dữ liệu bổ sung) dự đoán rằng DNA có thể tồn tại như là một chuỗi xoắn hai sợi ngược chiều song song bổ sung,  và điều chình bởi liên kết H giữa các base trong những sợi liền kề. Trong mô hình Watson-Crick, base trong nội thất của xoắn liên kết ở một góc gần 90 so với trục xoắn. Purine hình thành các liên kết hydro với pyrimidines, hiện tượng quan trọng của kết nối base. Quyết tâm thực nghiệm đã chỉ ra rằng, trong bất kỳ phân tử DNA, nồng độ của adenine (A) bằng thymine (T) và nồng độ của cytidine (C) bằng guanine (G). Điều này có nghĩa là sẽ chỉ có cặp base với T, C với G. Theo mô hình này, được biết đến như Watson-Crick kết nối base, cơ sở cặp gồm G và C có chứa ba lên kết H, trong khi giữa  A và T có chứa hai liên kết H. Điều này làm cho cặp G-C ổn định hơn so với các cặp A-T.

 

Hình 12.3: Liên kết hydrogen giữa T-A và C-G. Cấu trúc DNA, histone và NST trong tế bào

 

Bản chất đối song của xoắn bắt nguồn từ sự định hướng của mỗi sợi. Từ bất kỳ vị trí cố định nào trong xoắn, một sợi theo hướng 3'-> 5’,một sợi theo hướng 5’->3’. Trên bề mặt bên ngoài của nó, chuỗi xoắn kép của DNA chứa hai rãnh sâu giữa các dãy ribose-phosphate. Hai đường rãnh này có kích thước không đồng đều và được gọi là các rãnh lớn và nhỏ. Sự khác biệt về kích thước của chúng là do sự bất đối xứng của các vòng deoxyribose và tính chất cấu trúc riêng biệt của bề mặt trên của một cặp base tương đối so với mặt đáy.

Chuỗi xoắn kép của DNA đã được chứng minh là tồn tại dưới các dạng khác nhau, tùy thuộc vào nội dung trình tự và điều kiện chuẩn bị tinh thể ion. Hình thức B-DNA chiếm ưu thế trong điều kiện sinh lý của sức mạnh ion thấp và mức độ cao của hydrate hóa. Khu vực  xoắn giàu pCpG dinucleotides có thể tồn tại trong một cấu trúc xoắn ốc thuận về bên trái được gọi là Z-DNA. Điều này là do từ một sự thay đổi 180 độ trong sự định hướng của các base tương đối so với DNA-A và phổ biến hơn DNA-B.

 

Hình 12.4: 3 cách mô phỏng cấu trúc DNA thường gặp

 

Thông số của các loại DNA chính

Các thông số

Thể A

Thể B

Thể Z

Direction of helical rotation

Right

Right

Left

Residues per turn of helix

11

10

12 base pairs

Rotation of helix per residue (in degrees)

33

36

-30

Base tilt relative to helix axis (in degrees)

20

6

7

Major groove

narrow and deep

wide and deep

Flat

Minor groove

wide and shallow

narrow and deep

narrow and deep

Orientation of N-glycosidic bond

anti

anti

anti for Pyrimidines, syn for Purines

Comments

 

most prevalent within cells

occurs in stretches of alternating purine-pyrimidine base pairs

 

Hình 12.5: Z-DNA và B-DNA

 

Thuộc tính nhiệt của DNA

 

Khi các tế bào phân chia, DNA được sao chép (nhân rộng), trong một cách mà mỗi tế bào con có cùng một lượng vật liệu di truyền. Để cho quá trình này tiến hành, hai sợi xoắn  đầu tiên phải được tách ra, trong một quá trình gọi là biến tính. Quá trình này cũng có thể được thực hiện trong ống nghiệm. Nếu một giải pháp DNA chịu nhiệt độ cao, liên kết H giữa các base trở nên không ổn định và các sợi xoắn riêng biệt trong một quá trình biến tính nhiệt.

 

Thành phần cơ bản của DNA rất khác nhau từ phân tử đến phân tử và ngay cả trong các khu vực khác nhau của cùng một phân tử. Khu vực ghép cặp có chủ yếu là cặp A-T sẽ được ít  nhiệt ổn định hơn so với những chỗ giàu cặp G-C. Trong quá trình biến tính nhiệt, điểm đạt được trong đó 50% của phân tử DNA tồn tại như là các sợi đơn. Điểm này là nhiệt độ nóng chảy (Tm), và là đặc trưng của các thành phần base đó phân tử DNA. Tm phụ thuộc vào một số yếu tố trong thành phần base. Chúng bao gồm các chất hóa học của dung môi và bản sắc và nồng độ của các ion trong dung dịch.

Khi DNA nhiệt nóng chảy được làm lạnh, các mạch bổ trợ một lần nữa sẽ lại tạo thành cặp đúng base, trong một quá trình được gọi là ủ hoặc lai tạo. Tỷ lệ ủ phụ thuộc vào trình tự nucleotide của hai sợi DNA.

 

Phân tích cấu trúc DNA

 

Sắc ký: Một số trong những kỹ thuật sắc ký có sẵn cho các đặc tính của protein cũng có thể được áp dụng cho các đặc tính của DNA. Các kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất là HPLC (sắc ký lỏng hiệu năng cao). Kỹ thuật sắc ký ái lực cũng có thể được sử dụng. Một ma trận ái lực chung là hydroxyapatite (một dạng của phosphate canxi), liên kết với DNA sợi đôi với ái lực cao hơn so với DNA sợi đơn.

Hình 12.6: Quá trình truyền thông tin di truyền. Các tín hiệu ngoại bào hoạt hóa dòng thác tín hiệu nội bào và do vậy điều hòa sự biểu hiện gene (có sự tham gia của nhiều yếu tố phiên mã nội bào). RNA polymerase tham gia trong quá trình biến đổi DNA thành RNA. Sau khi RNA được tạo thành, nó đi vào quá trình dịch mã và các quá trình hậu dịch mã (hay còn gọi là các quá trình epigenetics)

Điện di: Phương pháp này làm cho việc phân tích các DNA và protein trở nên dễ dàng. Tuy nhiên, các phân tử DNA có trọng lượng phân tử cao hơn nhiều so với protein, thành phần được sử dụng trong điện di phải thật sự khác biệt. Các vật liệu được lựa chọn là agarose, một polymer carbohydrate tinh chế từ một loài rong tảo nước mặn. Đó là một copolymer mannose và galactose mà khi tan chảy và làm mát bằng  một dạng gel với kích thước lỗ nhân phụ thuộc vào nồng độ agarose. Phosphate xương sống của DNA là rất tích điện âm, do đó DNA sẽ di chuyển trong một điện trường. Kích thước của các mảnh DNA sau đó có thể được xác định bằng cách so sánh di cư của chúng trong gel bằng các tiêu chuẩn kích thước được biết đến. Rất nhiều các phân tử DNA (trong khoảng 10Mb-30KB) có hiệu quả tách biệt nhau trong agarose gel bằng cách sử dụng điện di gel xung lĩnh vực (PFGE). Kỹ thuật này sử dụng hai hoặc nhiều điện cực, đặt trực giao đối với gel, nhận các xung ngắn xen kẽ hiện nay. PFGE cho phép toàn bộ nhiễm sắc thể và một phần lớn của nhiễm sắc thể được phân tích.

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh