Bài giảng sinh học phân tử - Chương 2: Các đại phân tử sinh học Acid nucleic và Protein

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC Acid nucleic và Protein 5’ 3’ 5’3’ Function Dòng thông tin di truyền trong tế bào Acid nucleic mang thông tin di truyền •  Thông tin di truyền được mã hóa bởi các phân tử DNA và RNA. •  DNA là vật chất di truyền của vi khuẩn •  DNA là vật chất di truyền của virus, một số loại virus có bản chất RNA thì thông tin di truyền được mã hóa bởi các phân tử RNA. Acid nucleic mang thông tin di truyền •  Thí nghiệm chứng minh acid nucleic mang thông tin di truyền –  1928, Griffith – thí nghiệm biến nạp –  1944, Avery et al. – tác nhân biến nạp là DNA –  1952, Hershey –Chase – thí nghiệm thực khuẩn thể xâm nhiễm E.coli •  Từ 3 thí nghiệm trên chứng minh acid nucleic là vật chất mang thông tin di truyền Phế cầu khuẩn Streptococcus Pneumoniae Chủng S: Độc, tế bào có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc trơn (smooth) Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc nhăn (Rough 1928, Thí nghiệm Griffith Hai loại nucleic acid DNA và RNA •  DNA: DeoxyRiboNucleic Acid •  RNA: •  RiboNucleic Acid Acid deoxyribonucleic - DNA DNA là phân tử trùng phân, mạch thẳng được hình thành từ các đơn phân là nucleotide Nucleotide bao gồm 3 thành phần: •  Gốc phosphate: PO43- •  Đường (deoxyribose): C5H10O4 •  Bazơ nitơ (nitrogenous bases): A (Adenine) T(Thymine), G (Guamine) C (Cytosine) I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DNA •  Nhóm phosphat và phân tử đường hình thành nên “bộ khung” (backbone) của phân tử DNA, base ni tơ liên kết với phân tử đường tạo nhánh phía ngoài của chuỗi DNA. Cấu trúc phân tử DNA Base P 5’ 3’Base P 5’ 3’Base P 5’ 3’ OH 3’ 5’ Base P 5’ 3’ Base P 5’ 3’ Base P 5’ 3’ OH3’ 5’ Sợi kép (Double strand DNA) Thành phần đường của RNA và DNA •  Thành phần đường của RNA là ribose •  Thành phần đường của DNA là deoxyribose Bazo Nito – Purine •  Purine gồm –  Adenin (A) –  Guanine (G) Pyrimidine Pyrimidine –  Uracil (U) –  Thymine (T) –  Cytosine (C) Dạng biểu diễn của nucleotide (RNA & DNA) Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution CẤU TẠO HÓA HỌC CỦA DNA Nucleoside: Là liên kết giữa một base nito và một phân tử đường Nucleotide : Là liên kết giữa một nucleoside và một nhóm phosphat Các nucleotid thường được gọi theo tên của các base nito và viết tắt là A, G, C, T, U, đôi khi viết tắt bằng ade, gua Chữ N được sử dụng làm đại diện cho tất cả các base nito nucleotide •  Nucleoside = base + sugar •  Nucleotide = base + sugar + phosphate 16 Nucleoside O Base H H H H O CH2 H O PO O O- 17 O Base H H H H O CH2 H O PO O O- Phosphate group of next nucleotide Mô hình xoắn kép của Watson-Crick -  2 mạch đơn xoắn quanh 1 trục -  Chiều xoắn: phải -  Chiều 2 mạch đơn: 5’ – 3’, ngược nhau -  1 chu kỳ xoắn gồm 10 cặp nucleotide, cao 34Ao -  Đường kính vòng xoắn: 20 Ao -  Bộ khung của liên kết đường ribo – gốc photphat -  Cấu trúc 2 mạch xoắn kép song song tạo nên do liên kết hidro giữa các nucleotide bổ xung Tại sao 1 purine lại liên kết với 1 pyrimidine? CÁC LOẠI LIÊN KẾT CỦA DNA •  Loại liên kết nào nối các nucleotid với nhau? Liên kết giữa các nucleotide Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution •  Liên kết giữa P ở đầu 5’ và O ở đầu 3. •  Đọc trình tự của base từ 5’ đến 3’’ •  Liên kết giữa các nucleotid trong sợi DNA là liên kết giữa 5’-P và O-3’ làm cho sợi DNA có một gốc Phosphat tự do ở đầu 5’ và một gốc hydroxyl ở đầu 3’ là nguyên nhân dẫn đến việc phân cực của DNA. Điện tích của DNA? Nguyên nhân dẫn đến việc tích điện của DNA? A liên kết T bằng 2H. G liên kết C bằng Liên kết Hydro giữa các base Quy tắc Chargaff •  Chargaff’s rule: Tổng số A+G = Tổng sốC+T. •  Cặp base chứa một purine và một pyrimidine. •  A-T; G-C. 25 Guanine Cytosine Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   DNA kép không xoắn DNA xoắn kép mạch vòng DNA mạch đơn, thẳng DNA mạch đơn, vòng II. CẤU TRÚC CỦA DNA Dạng thẳng Dạng xoắn kép Hai sợi DNA liên kết bổ sung với nhau hình thành nên cấu trúc xoắn kép – the Double Helix Liên kết bổ sung giữa 2 mạch đơn Cấu trúc hóa học của DNA •  DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 sợi polynucleotid kết hợp với nhau theo nguyên tắc bổ sung (complementation) –  A=T –  G=C •  Trong phân tử DNA sợi kép, các base nito trên mỗi mạch hướng vào phía trung tâm chuỗi xoắn kép và bắt cặp với các base của sợi kia bằng các liên kết hydro. Hai mạch DNA gọi là hai mạch đối song song •  Mỗi cặp liên kết gồm 1 base nito lớn là purin liên kết với base nhỏ hơn là pyrimydine nên tất cả các cặp base ghép đôi có cùng chiều rộng. CÁC DẠNG CẤU TRÚC CHUỖI XOẮN KÉP DNA •  Chuỗi DNA được tồn tại dưới 3 dạng chủ yếu tương đối khác nhau A, B, Z •  Dạng B là dạng phổ biến nhất trong tế bào – được mô tả bởi Watson và Crick –  Rộng 2nm –  Dài 3,4nm/10Nu –  Xoắn 3600 cho mỗi 10,6 Nu / Bước xoắn 10,6 Nu •  Chuỗi xoắn kép được làm bền bởi các liên kết hydro và các vòng thơm của bazo nito chồng lên nhau ở tâm của chuỗi double helix. •  Các dạng xoắn được chia làm xoắn phải hoặc xoắn trái •  Chuỗi xoắn phải là các sợi xoắn cùng chiều kim đồng hồ so với trục xoắn. •  Dạng B là dạng xoắn phải DNA dạng A và Z •  DNA dạng A và Z khác so với dạng B ở hình dạng và kích thước. Dạng A thường xuất hiện trong các DNA mất nước (dùng trong các thí nghiệm tinh thể hóa) hay ở dạng lai DNA – RNA •  Dạng Z thường là DNA được mythyl hóa Mô hình các dạng DNA Dạng A Dạng B Dạng Z MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CÁC DẠNG DNA Dạng hình học Dạng A Dạng B Dạng Z Chiều xoắn phải phải trái Đơn vị lặp lại 1 bp 1 bp 2 bp Góc quay/bp 33,6° 35,9° 60°/2 Số bp trung bình/vòng xoay 10,7 10,0 12 Độ nghiêng của bp so với trục +19° -1.2° -9° Độ dài dốc/bp dọc theo trục 0,23 nm 0.332 nm 0,38 nm Bước/vòng xoay 2,46 nm 3,32 nm 4,56 nm Mean propeller twist +18° +16° 0° Đường kính 2,6 nm 2,0 nm 1,8 nm DNA là vật chất mang thông tin di truyền chủ yếu dưới dạng mã bộ 3 Axit amin trong chuỗi polypeptit của protein - DNA nằm chủ yếu trong nhân tế bào (98 - 99%), ngoài ra còn nằm ở ty thể, lạp thể, virut, viroid gây bệnh - DNA của SV nhân thật có cấu tạo dạng thẳng, SV tiền nhân có cấu tạo dạng vòng (vi khuẩn, virus) cuộn chặt thành cấu trúc NST. - DNA thường có kích thước rất lớn (người: sợi DNA có thể dài 1mm) cuộn chặt với Histon nucleosome (100Ao) solenoid (300Ao) nhiễm sắc thể. Đặc điểm DNA III. TÍNH CHẤT CỦA DNA 1. Biến tính và hồi tính bởi nhiệt độ –  Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA từ từ, khoảng 80- 950 C, các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và chúng tách rời nhau. Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G - C bị đứt. –  Nhiệt độ mà ở đó 2 sợi DNA tách rời nhau (50% số liên kết hydro bị phá hủy) gọi là nhiệt độ nóng chảy (Tm). Tm đặc trưng cho từng loại DNA của các sinh vật khác nhau –  Đoạn DNA có nhiều liên kết GC có Tm cao hơn III. TÍNH CHẤT CỦA DNA –  Khi hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép, hiện tượng này gọi là hồi tính. •  Có thể biến tính DNA bằng các tác nhân kiềm hoặc formamide ở 400C. •  Có thể nhận biết DNA biến tính dựa vào sự gia tăng độ hấp thụ đối với tia cực tím. DNA biến tính và hồi tính 39 High heat (melting) Cooling to 20–25 ˚C below Tm (renaturation) Rapid cooling to temperature much lower than Tm (improper base pairing) Rewarming to 20–25 ˚C below Tm (renaturation) Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   - Đặc tính biến tính: sợi kép DNA trong điều kiện nhiệt độ cao gần điểm sôi có thể sẽ tách rời thành 2 sợi đơn, nếu nhiệt độ giảm xuống thì lại liên kết thành sợi kép ban đầu. - DNA mang điện tích âm + protein histon mang điện tích dương à NST trung hòa về điện. III. TÍNH CHẤT CỦA DNA Hấp thụ ánh sáng ü Phân tử DNA hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng 260 nm. ü Dựa trên cơ sở này có thể định lượng và đánh giá độ sạch của DNA thông qua việc đánh giá tỉ lệ OD260/OD280 •  Native state •  Denatured state •  Abs = 260 nm •  Tm = melting temperature Khả năng hấp thụ ánh sáng của DNA TÍNH CHẤT CỦA DNA 2. Lai acid nucleic –  Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA, RNA với RNA. –  Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính thành mạch đơn. Dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính. Đây là kiểu lai lỏng hay lai trong dung dịch. o  Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất o  Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA o  Phương pháp Northern blot dùng cho RNA o  Các dạng microarray Acid ribonucleic – RNA RNA là phân tử trùng phân, mạch thẳng được hình thành từ các đơn phân là ribonucleotide RiboNucleotide bao gồm 3 thành phần: •  Gốc phosphate: PO43- •  Đường (ribose): C5H10O5 •  Bazơ nitơ (nitrogenous bases): A (Adenine) U(Uracine) thay vì T ở DNA G (Guamine) C (Cytosine) Có 3 loại RNA chính là: mRNA (RNA thông tin) tRNA (RNA vận chuyển) rRNA (RNA Ribosome) RNA (Ribonucleic Acid) •  Phân tử RNA có cấu trúc tương tự DNA với 3 điểm khác biệt –  Phân tử RNA thường là chuỗi mạch đơn –  Pentose của RNA là ribose –  Thymin được thay thế bằng Uracil Cấu trúc hóa học RiboNucleotide Cấu trúc không gian của RNA Liên kết photphodieste Các loại RNA •  mRNA •  tRNA •  rRNA •  sn RNA hay U-RNA (small nucleic RNA) •  miRNA (microRNA) •  siRNA (small interfering RNA) •  piRNA (Piwi-interacting RNA) mRNA •  Là bản sao của những trình tự nhất định trên phân tử DNA •  Đóng vai trò trung gian chuyển thông tin mã hóa trên DNA đến ribosom để dịch mã thành protein •  Có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa cho một hoặc vài protein •  Chiếm 2-5% tổng số RNA của tế bào Section 12-3 mRNA - Các mRNA có cấu trúc đa dạng thường ngắn hơn đoạn gen DNA mà nó được mã hóa, - mRNA sinh vật nhân thật: sau khi được phiên mã từ DNA được đính mũ 7 methyl-Gppp vào đầu 5’ và đuôi 3’ là polyA. Quá trình phiên mã DNA tRNA •  Là các RNA vận chuyển các amino acid cần thiết đến bộ máy dịch mã từ các mRNA tương ứng •  Có cấu trúc “cỏ ba lá” được ổn định nhờ các liên kết bổ sung •  Có 2 vị trí không có liên kết bổ sung thực hiện chức năng của tRNA –  Trình tự anticodon gồm 3 nucleotid bổ sung với trình tự codon trên mRNA –  Trình tự CAA có khả năng liên kết cộng hóa trị với một amino acid đặc trưng tRNA rRNA •  Chiếm 80% RNA của tế bào •  rRNA kết hợp với các protein chuyên biệt tạo thành ribosome •  Tùy theo hệ số lắng rRNA chia làm nhiều loại –  Eukaryote: 28S, 18S, 5,8S, 5S –  Prokaryote: 23S, 16S, 5S Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị mang nhiều protein và rRNA có kích thước khác nhau. RIBOSOME -  Ribosome tự do có mặt ở trong mọi tế bào, và còn ở trong ty thể và lục lạp ở trong tế bào eukaryote. Nhiều ribosome tự do có thể bám vào một mARN để tạo thành polyribosome (hay polysome). -  Gồm 2 tiểu phần lớn và nhỏ: chỉ ghép lại với nhau khi tham gia dịch mã -  Chúng đảm nhiệm chức năng thực hiện quá trình sinh tổng hợp protein của tế bào. Các loại RNA Các loại RNA Các loại RNA Protein Structure Proteins là những chuỗi amino acid. Có 20 loại amino acid Cấu trúc một amino acid Mỗi loại amino acid khác nhau ở nhóm chức R 60 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Phân loại và cách đặt tên 20 amino acids khác nhau tính chất hoá học ở nhóm chức R •  Hydrophobic amino acids có nhóm chức R không phân cực. •  Hydrophilic amino acids có nhóm chức R phân cực. Không phân cực R Phân cực nhóm chức R Không tích điện Tích điện 63 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   D, E, R, K, H N, Q, C, T, S G, A, V, P, L, I, M, and F 64 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Glycine (Gly, G) Alanine (Ala, A) Valine (Val, V) Phenyl alanine (Phe, F) Tryptophan (Trp, W) Leucine (Leu, L) Isoleucine (Ile, I) Methionine (Met, M) Proline (pro, P) Hydrophobic amino acids 65 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Amino acids phân cực Serine (Ser, S) Threonine (Thr, T) Tyrosine (Tyr, Y) Cysteine (Cys, C) Asparagine (Asn, N) Glutamine (Gln, Q) Histidine (His, H) 66 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Amino acids tích điện Aspartate (Asp, D) Glutamate (Glu, E) Lysine (Lys, K) Arginine (Arg, R) Amino Acid không thay thế Amino Acid không thay thế Amino acids liên kết cộng hoá trị 69 H2O Peptide bond + Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Chuỗi polypeptide tạo bởi các amino acids liên kết với nhau bằng lk peptide 70 Residue 1 Residue 2 Residue 3 Residue 4 C-terminus N-terminus Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   4 Cấu trúc protein © 2014 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. β α Cấu trúc bậc 2 Cấu trúc bậc 3 Cấu trúc bậc 1 N N Cα C N Cα C Cα C O O O R1 R2 R3 73 Partial double bond Cấu trúc bậc 1: chuỗi polypeptide Cấu trúc bậc 2 •  α helix là một cấu trúc xoắn trong đó các liên kết polypeptide xoắc chặt chẽ quanh một trục tưởng tượng. •  Nhóm chức R của các amino acid quay ra ngoài. •  α helix và β sheet phổ biến, •  Liên kết •  H trong một α helix tạo bởi giữa carbonyl oxygen và nhóm amino hydrogen. Liên kết trong một β Sheet 75 Đối xứngl Không đối xứng Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Các dạng cấu trúc bậc 2 của protein α/β protein α-helical protein β-protein Protein with very little 2° structure © 2014 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. Cấu trúc bậc 3 và 4: Chuỗi cuộn xoắn polypeptide gồm một bề mặt ưa nước và một lõi kỵ nước. 77 (a) (b) Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.   Cấu trúc bậc 4 Phân tử Hemoglobin - Gồm 2 chuỗi polypeptit α và β - Liên kết với nhân heme ở giữa Cây tiến hóa của Hemoglobin 79 •  Những proteins chứa nhiều hơn một chuỗi polypeptide thì có cấu trúc bậc 4. Bậc I Bậc II Bậc III Bậc IV Kết hợp nhiều loại polypeptit Điều hòa Cấu trúc Di chuyển Xúc tác Vận chuyển Tín hiệu Chức năng Chức năng protein -  Cấu trúc: -  Vận chuyển: protein vận chuyển các chất qua màng tế bào -  Di chuyển, vận động: myosine ở cơ -  Tín hiệu: pheromon -  Điều hòa: hocmon -  Xúc tác: enzyme C chain B chain A chain Insulin consists of two chains: A and B The C chain is removed from proinsulin to form insulin Proinsulin ENZYME •  Xúc tác cho các phản ứng sinh học •  Có bản chất là protein •  Năng lượng hoạt hoá thấp •  Tăng tốc độ phản ứng •  Mất hoạt tính khi bị biến tính •  Có chứa nhóm co-factors: kim loại hoặc hữa cơ (vitamins) Enzyme là một dạng protein có khả năng xúc tác cho những phản ứng hoá sinh học có tính đặc thù cao, có nghĩa là chúng chỉ xúc tác cho một số phản ứng đặc hiệu. -  Hoạt tính xúc tác của enzyme phụ thuộc vào cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4 và trạng thái tự nhiên của phân tử protein enzyme đó. -  Một số enzyme khi xúc tác cần sự kết hợp với một số ion kim loại khác như-: Fe+ 2, Mg+2, Mn+2 hoặc nhóm hữu cơ gọi là (coenzyme). Phần protein của enzyme là apoenzyme. -  Cách gọi tên Enzyme: phần lớn các enzyme đư-ợc gọi tên theo quy tắc lấy tên của cơ chất mà nó chịu trách nhiệm xúc tác cộng với tiếp vị ngữ ase -  Amylase -  DNAase -  Protease ENZYME -  Isozyme là những trạng thái khác nhau của một enzyme, các isozyme đều xúc tác cho cùng một phản ứng -  Các Isozyme chỉ khác nhau ở một số tính chất như- ở pH hoặc nồng độ cơ chất tại đó chúng xúc tác tốt nhất. -  Isozyme thường là những protein phức gồm nhiều tiểu phần polypeptide. - Thí dụ enzyme dehydrogenase khử hydro của axit lactic, là enzyme có 4 cấu tử được tạo thành từ 2 tiểu phần polypeptide là a và b. Do vậy sẽ có 5 isozyme tồn tại là: aaaa, aaab, aabb, abbb, bbbb. - Isozyme thường có điểm đẳng điện khác nhau bởi vậy chúng dễ dàng tách nhau ra được bằng phương pháp điện di đẳng điện. ISOZYME A B Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3 LIPID POLYSACCHARIDE