Chương 6 NUCLEIC ACID VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ CỦA NUCLEIC ACID

6.1 Cấu trúc của nucleic acid

Nucleic acid có vai trò quan trọng trong sinh học. Chúng là những chất mang thông
tin di truyền và chuyển những thông tin di truyền này đến trao đổi chất. Cấu tạo của
chúng gồm nhiều đơn phân có ba thành phần: basơ nitơ, phosphate và ribose hoặc
desoxyribose.
Base nitơ là dẫn xuất của pyrimidine hoặc purine. Pyrimidine được tổng hợp từ
carbamylphosphate và asparagine. Purin được tổng hợp từ asparagin, glycine,
glutamine, CO
2
và formiate được hoạt hoá bởi tetrahydrofolic acid.

Adenine và guanine là những dẫn xuất của purine. Cytosine, thymine và uracil là dẫn
xuất của pyrimidine.

Ở trạng thái cân bằng nguyên tử H của nhóm hydroxyl dịch chuyển đến nguyên tử N. 222

Ở dạng này nguyên tử H đứng cạnh nguyên tử N có thể tạo một liên kết N-glycosid
với một ribose.

Nguyên tử H của nhóm hydroxyl ở vị trí C
3
của nucleotide thứ hai được thay thế
bằng một “nucleotidyl” tiếp theo, nghĩa là chuỗi kéo dài theo hướng của ribose ở vị trí
C
3
. Nucleotidyl là gốc của một nucleotide, là nucleosidphosphoryl. 224Hình 6.1 Cấu tạo chung của một ribonucleic acid

Theo nguyên tắc này có thể tạo nên một chuỗi rất dài. Ở một đầu nó mang một
nhóm phosphate và đầu kia một nhóm OH tự do của đường ribose. Ở hình 6.1 biểu diễn
cấu trúc của 1 sợi đơn của RNA, ở đây n là một số có độ lớn 10
2
đến10
4
.
Nucleic acid là một polyme, được tạo nên rất hệ thống, với một nhóm phosphate ở
một đầu và một nhóm OH ở vị trí carbon thứ 3 của ribose hoặc desoxyribose ở đầu kia.
Gốc phosphate của nucleic acid còn chứa một nhóm OH tự do, nhóm này có khả năng
phân ly H

225
nitơ. Ở đây mỗi base nitơ có một base đối diện xác định. Adenine đối diện với thymine,
guanine với cytosine. Sự đối diện này là do các cầu hydro được tạo nên giữa dẫn xuất
pyrimidine (thymine, cytosine) và dẫn xuất purine (adenine, guanine). Adenine nối với
thymine bằng 2 liên kết hydro và guanine với cytosine là 3 liên kết ( hình 6.3).
Watson và Krick đưa ra mô hình DNA gồm 2 sợi bổ sung. Mô hình này có ý nghĩa
đối với các quá trình sinh học cơ bản sẽ được giải thích rõ hơn dưới đây. Liên kết giữa
các base bổ sung thực ra là không bền vững nhưng rất chọn lọc. Chúng tạo điều kiện
cho sợi bổ sung có thể được tổng hợp từ một sợi riêng lẽ. Hai sợi này giống như ảnh và
phim.

Hình 6.2 Sơ đồ biểu diễn một phân tử DNA: a) mạch thẳng, b) mạch xoắn kép,
Bên phải các sợi chạy theo hướng đối song C
5
→ C
3
Hình 6.3 Sự cặp đôi của adenine và thymine bằng 2 liên kết hydro và của guanine và
cytosine bằng 3 liên kết hydro

226Hình 6.4 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc ba chiều của desoxyribosephosphate có base nitơ là
thymine và adenine

Mạch kép của DNA có đường kính khoảng 2 nm, độ dài có thể đến nhiều mm. DNA
của Escherichia coli là một sợi có 4,2 .10

9
-3,8 x 10
10
4 x 10
6
-10
8

RNA
mRNA nhân, tế bào 10
8
4 x 10
3
rRNA tế bào chất, ribosome 10
8
4 x 10
3
tRNA tế bào chất 25 000 80 -100
cRNA nhân 10
6
-10
7
10
3

Ở ribonucleic acid có 4 loại khác nhau (bảng 6.1). mRNA chuyển thông tin di
truyền từ DNA đến trung tâm tổng hợp của tế bào. Trọng lượng phân tử khoảng 10
6
,
bằng 1/1000 đến 1/10 000 trọng lượng của DNA, vì vậy nó có độ dài ngắn hơn. Những 229 230

Hình 6.6 Các phản ứng tổng hợp purine nucleotide

Ribose 5-P được hoạt hoá bằng việc tiếp nhận một nhóm pyrophosphate, tạo nên 5-
phosphoribosyl-1-1pyrophosphate (PRPP). Sau đó nhóm pyrophosphate này được thay
thế bằng một nhóm amin có nguồn gốc từ glutamine, cho sản phẩm là 5-
phosphoribosylamine. Phản ứng này được thực hiện do sự thuỷ phân pyrophosphate.
Đồng thời ribose ở dạng α chuyển sang dạng β. Enzyme ribose-P-pyrophosphokinase
và amido-P-ribosyltransferase xúc tác cho hai phản ứng, là những điểm tiếp cận của các
quá trình điều khiển.
Phản ứng tiếp theo là gắn thêm glycine trực tiếp vào nhóm NH
2
, được thực hiện do thuỷ
phân ATP. Sau đó N
10
-formyltetrahydrofolat gắn vào một nhóm formyl. Trong một


232
233Hình 6.7 Sơ đồ tổng hợp uridine-5’phosphate (UMP)

Ở sự tổng hợp purine thành phần của vòng purine từng bước được gắn vào nhóm ribose,
còn ở sự tổng hợp pyrimidine trước hết xuất hiện vòng base, sau đó ribose được gắn
vào. Những nguyên tử của vòng được gắn vào từ aspartate và carbamylphosphate.
Ở sinh vật nhân chuẩn carbamylphosphate là một thành phần của chu trình ornithine,
nhưng hai đường hướng phản ứng được tách ra trong không gian. Ở sự tổng hợp
pyrimidine, carbamylphosphate được tạo nên trong tế bào chất (những phản ứng tiếp
theo cũng xảy ra ở đây), phản ứng tương ứng của chu trình ornithine xảy ra ở ty thể.
Carbamyl-synthase tham gia vào hai quá trình có những đặc điểm khác nhau: Synthase
II tham gia vào tổng hợp pyrimidine sử dụng glutamine là nguồn nitơ và không được
hoạt hoá biến cấu bởi N-acetylglutamate, synthase của chu trình ornithine phản ứng và
được hoạt hoá bởi NH
3
. Ở vi khuẩn chỉ có carbamyl-synthase typ II.
Phản ứng tiếp theo được xúc tác bởi enzyme aspartate-carbamyl-transferase, là bước
xác định của sinh tổng hợp pyrimidine, ở đây có tác động của cơ chế điều khiển.
Bước tiếp theo là đóng vòng và giải phóng H
2

Những enzyme quan trọng nhất là DNA- polymerase, DNA-ligase và một helicase.
Khuôn là hai sợi của mạch xoắn kép. Sự tổng hợp bắt đầu bằng việc thuỷ phân liên kết
hydro của mạch kép nhờ một enzyme nuclease, tách liên kết ester giữa ribose và gốc
phosphate của hai sợi, như vậy từ vị trí này mạch kép có thể được duỗi xoắn. Về mặt
năng lượng đây không phải là quá trình đơn giản vì như trên đã đề cập hai sợi được nối
với nhau bằng các cầu hydro. Trong ống nghiệm người ta cắt liên kết này khi đưa nhiệt
độ lên 90
0
C. Để duỗi xoắn cần một phức hệ enzyme đặc biệt là helicase, là một phức hệ
định vị ở chỗ chẻ ba của mạch kép và làm duỗi xoắn DNA, trước khi cả hai sợi duỗi
xoắn làm khuôn cho sự tổng những sợi DNA mới. Ở những sinh vật khác nhau người ta
thấy helicase có những đặc tính khác nhau: E.coli, nấm men, động vật và thực vật bậc
cao. Về nguyên tắc cơ chế tác động của nó như sau: sợi kép được duỗi xoắn và helicase
đẩy chỗ chẻ ba tiếp tục dịch chuyển. Quá trình mở xoắn thực chất vẫn chưa được giải
thích cặn kẻ. Những liên kết hydro giữa các base nitơ phải được cắt đứt. Rất có thể một
sợi DNA được cắt ra bằng thuỷ phân làm cho xoắn được mở ra, sau đó được nối lại với
nhau. Toàn bộ quá trình cần năng lượng. Tuỳ theo loại helicase mà năng lượng cần là
ATP hoặc các nucleosidtriphosphate khác, và các desoxynucleosidtriphosphate cũng
được sử dụng để đẩy chỗ chẻ ba dịch chuyển. Nhờ có các nucleosidtriphosphate mà cấu
hình của protein enzyme thay đổi do qúa trình phophoryl hoá enzyme, quá trình này
tương tự như co thắt cơ. 235

Hình 6.8 Sơ đồ biểu diễn sự sao chép. Sự mở xoắn kép nhờ helicase và sự tổng hợp
DNA ở hai sợi khuôn nhờ DNA-polymerase

Năng lượng cần để tạo liên kết ester chứa trong hai liên kết cao năng ở trong
d′nucléotidtriphosphate. Sự kết hợp vào khuôn theo nguyên tắc bổ sung tiến hành theo
cách H của nhóm OH ở vị trí carbon thứ 3 của ribose được thay thế bằng 1 d′nucleotide,
chính xác hơn nhóm OH được thay thế bởi acyl của 1 d′nucleotide
(nucleosidphophoryl) (xem hình 6.10). Chuỗi cũng kéo dài ở vị trí 3 theo hướng C-5→
C-3 hoặc từ đầu cuối phosphate đến OH của vị trí carbon thứ 3.
Sự kết hợp vào khuôn theo nguyên tắc bổ sung, nghĩa là thymine sẽ kết hợp với
adenine, guanine kết hợp với cytosine. Bằng cách này một bản sao trung thành của sợi
khuôn được tổng hợp. Nếu trong quá trình kết hợp mà xuất hiện một lỗi, ví dụ hai base
nitơ đối diện nhau không bổ sung tạo nên không gian mà 1 d′nucleotide mới vào không
kết hợp được với nhóm OH của ribose. Polymerase có khả năng sửa chữa những lỗi
này, thực chất là cắt nucleotide lắp sai đó ra và kết hợp nucleotide chính xác vào. Cơ
chế sửa chữa quan trọng này đã làm cho tỷ lệ lỗi ở quá trình nhân đôi là rất thấp, thực ra
khoảng 10
9
cặp base thì mới có một lỗi. Những lỗi trong quá trình này là những đột biến
dẫn đến những rối loạn rất lớn trong trao đổi chất. Mặt khác nó cũng cần thiết vì tạo nên
tính mềm dẽo để thích nghi với môi trường sống. 237Hình 6.10 Sự kết hợp một nucleotide vào sợi DNA bằng việc tạo liên kết ester.
Nucleosidphosphoryl thay thế H ở OH của d'ribose

Những sợi được tạo nên gồm khoảng 1000 nucleotide, được kết hợp nhờ các ligase.

ra của pyrophosphate. Chuỗi RNA kéo dài ngược hướng với sợi DNA khuôn. Ở sự tổng
hợp này sẽ tạo nên một mạch kép tạm thời, gồm DNA và RNA.
Vì vậy người ta gọi hiện tượng này là lai, mạch kép là phân tử lai. Vì RNA cơ bản là
nhỏ hơn mạch DNA, nên chỉ một đoạn tương đối ngắn của DNA được đọc để tổng hợp
RNA. Nhờ đặc tính này mà một đoạn được đọc kế tiếp nhau bởi nhiều enzyme
polymerase. RNA mới được tạo thành không chỉ là 1 mà có từ 30 đến 100 phân tử.
RNA-polymerase trượt trên đoạn DNA và tổng hợp nên sợi RNA. Để bắt đầu và kết
thúc đoạn DNA cần có những tín hiệu hoá học, những tín hiệu này cho đến nay chưa
được biết nhiều. Tuy nhiên những đoạn riêng biệt của DNA thì hoàn toàn xác định, nó
mang thông tin di truyền cho 1 phân tử RNA xác định.
Hình 6.11 Sự tổng hợp RNA ở sợi giàu pyrimidine

Nếu ở sợi khuôn DNA có lỗi, ví dụ thiếu 1 base nitơ, sẽ có một cơ chế để sửa chữa.
Có những enzyme làm nhiệm vụ nhận biết những vị trí lỗi trên sợi DNA. Cơ chế này rất
quan trọng, nếu không thì những thông tin “vô nghĩa” được đọc.
Ở sinh vật nhân sơ thì mRNA được đọc trực tiếp từ DNA. Ở những đoạn DNA mã
hoá cho rRNA và tRNA thì trước hết những đoạn RNA được tổng hợp nên, sau đó
chúng sẽ được biến đổi để tạo rRNA và tRNA trưởng thành. Sự biến đổi này chủ yếu là
thay đổi các base nitơ. Một phần được methyl hoá, những nhóm OH được thay thế bởi
các nhóm methyl. Qua đó ảnh hưởng đến khả năng tạo cầu hydro của các base nitơ. Sự
methyl hoá các base nitơ xảy ra sau khi sao chép có ý nghĩa đối với cấu trúc bậc hai của
rRNA và tRNA. DNA ở sinh vật nhân sơ nằm tự do trong tế bào chất và chủ yếu ở dạng
vòng. Ở trong ty thể và lạp thể có chứa một lượng nhỏ DNA, DNA này tương tự DNA
của sinh vật nhân sơ. Một phân tử DNA dạng vòng không có điểm bắt đầu và điểm kết
thúc. Để đọc chúng phải có 1 điểm kết hợp của polymerase. Vùng bắt đầu này
(initiation sites) được đặc trưng bởi một trình tự base đặc biệt. Sơ đồ dưới đây có những
chữ in đậm là 4 điểm khác nhau cho sự sao chép DNA từ ty thể của ngô.

trong nhân tế bào và được đưa ra tế bào chất, nơi mà chúng tham gia vào quá trình tổng
hơp protein. Ba loại RNA trong tế bào chất chiếm tỷ lệ như sau: rRNA chiếm 80%,
tRNA chiếm 15% và mRNA chiếm 5%. 240

Hình 6.12 Sự cắt ra các exon từ bản sao và sự gắn lại để tạo thành sợi mRNA Hình 6.13 Sơ đồ biểu diễn "processing" bản sao để tạo mRNA, rRNA và tRNA 6.6 Sự chuyển hoá nucleic acid
Trong quá trình trình trao đổi chất các phân tử DNA và RNA không cần thiết nữa sẽ
bị phân giải dưới tác dụng của các nuclease thành các mononucleotide. Các
mononucleotide có thể được dùng để tổng hợp các phân tử anucleic acid mới, hay bị
phân giải tiếp tục.
Nuclease xúc tác cho sự cắt liên kết phosphodiester của DNA (DNAse) của RNA
(RNAse). DNAse đóng một vai trò quan trọng trong sự tổng hợp, sửa chữa và tái tổ hợp
của DNA hoặc là hệ thống bảo vệ, trong đó chúng phân giải DNA ngoại lai. RNAse
tham gia vào quá trình biến đổi tiền mRNA thành mRNA (RNA-procossing), và điều
khiển sự phiên mã do sự phân giải mRNA. Nuclease có thể tách ra các nucleotid ở đầu
cuối (exonuclease) hoặc cắt ở bên trong phân tử (endonuclease).

241

Exodesoxyribonuclease (Exo-DNAase)
Exo-DNAase phân biệt ở hướng phân giải, trong đó cơ chất là sợi đơn hoặc sợi kép
và mono- hoặc oligonucleotid (hiếm hơn) được tách ra. Một số enzyme có thể có nhiều

Trong cơ thể allantoin bị phân giải thành urê.
Các base pyrimidine thường bị phân giải thành urê và NH
3
.
242