Di truyền phân tử ( phần 7 )
Thành phần hóa học của các nucleotide
Vào giữa thập niên 1940, các nhà hoá sinh học đã biết được các cấu trúc
hoá học của DNA và RNA. Khi phân cắt DNA thành các tiểu đơn vị, họ
phát hiện ra rằng mỗi nucleotide của DNA gồm ba thành phần: một base
nitơ (nitrogenous base), một đường deoxyribose, và một phosphoric acid.
Tương tự, RNA cho ra các base, phosphoric acid và đường ribose. Các
nucleotide cũng có nhiều chức năng khác trong tế bào, ví dụ như các
dòng năng lượng, các chất dẫn truyền thần kinh và các thông tin loại hai
như tải nạp tín hiệu chẳng hạn.
1. Base nitơ
Các base nitơ (gọi tắt là base), thành phần đặc trưng của các nucleotide, là
các hợp chất purine và pyrimidine dị vòng chứa nitơ có tính kiềm. Về cơ
bản, các dẫn xuất của purine bao gồm adenine (A) và guanine (G), còn
của pyrimidine gồm có: thymine (T), uracil (U) và cytosine (C).
DNA chứa bốn loại base chính là adenine, guanine, thymine và cytosine.
Trong RNA cũng chứa các base như thế, chỉ khác là uracil thay thế
thymine (Hình 2.1). Cần chú ý rằng purine và pyrimidine là các base dị
vòng chứa các nguyên tử nitơ nằm xen với các nguyên tử carbon, nên
việc đánh số các vị trí không thêm dấu phẩy trên đầu như trong trường
hợp của đường pentose (xem các Hình 2.4 - 2.6).
Bên cạnh các dạng phổ biến nói trên, các purine khác cũng có vai trò
quan trọng trong trao đổi chất của tế bào, như: xanthine, hypoxanthine và
uric acid; còn đối với pyrimidine đó là các orotic và dihydroorotic acid .
Ngoài ra còn bắt gặp một số loại base hiếm thuộc cả hai nhóm purine và
pyrimidine. Đó là những base biến đổi chủ yếu do hiện tượng methyl hoá
(methylation) xảy ra ở các vị trí khác nhau, chẳng hạn: 1-methyladenine,
6-methyladenine, 2-methylguanine, 5-methylcytosine v.v. Hình 2.1 Cấu trúc các base của DNA và RNA. Adenine và guanine là

2. Đường pentose
Các đường chứa năm carbon (pentose) là sản phẩm của quá trình trao đổi
chất trong tế bào, với nhiều loại như: arabinose, ribulose, ribose và dẫn
xuất của nó là deoxyribose v.v.
Đường pentose của RNA là D-ribose và của DNA là 2'-deoxy-D-ribose
(ký hiệu D chỉ dạng đường quay phải trước ánh sáng phân cực để phân
biệt với dạng L quay trái không có trong thành phần của các nucleic acid
tự nhiên). Các phân tử đường này đều có cấu trúc vòng furanose (gọi
như thế bởi vì nó giống với hợp chất furan dị vòng). Do các nguyên tử
carbon ở đây xếp liên tục nên được đánh số thứ tự có dấu phẩy trên đầu,
ví dụ C
1'
, C
2'
cho đến C
5'
. Hình 2.3 Cấu trúc của các phân tử đường ribose (trái) và deoxyribose
(phải); chúng khác nhau ở nguyên tử carbon số 2.
Hai phân tử đường này khác nhau ở C
2'
; trong ribose đó là nhóm hydroxyl
và trong deoxyribose là một hydro (Hình 2.3). Do các gốc đường khác
nhau này đã tạo ra hai loại nucleotide là ribonucleotide và
deoxyribonucleotide, mà từ đó cấu tạo nên hai loại nucleic acid khác nhau
tương ứng là RNA và DNA. Và chính sự khác biệt nhỏ nhặt về mặt cấu
trúc này đã tạo nên các đặc tính hoá lý rất khác nhau giữa DNA và RNA.
Dung dịch DNA tỏ ra đặc quánh hơn nhiều do sự trở ngại lập thể (steric

với các gốc đường tại các vị trí C
5'
và C
3'
để tạo nên các nucleotide và
chuỗi polynucleotide
.

Trong các nucleotide của DNA và RNA, nhóm phosphate liên kết với các
nucleoside tại C
5'
(xem Hình 2.5). Trong trường hợp phân tử điều hoà
AMP vòng (cyclic AMP = cAMP), nhóm phosphate tạo liên kết ester với
hai nhóm -OH ở C
5'
và C
3'
trong cùng một nucleotide.
Điều hoà ở mức dịch mã
* Trong sự điều hoà operon lactose xảy ra sự dịch mã biệt hoá của các
gene trong mRNA. Tỷ lệ số lượng các bản sao của ba enzyme β-
galactosiase, permease và transacetylase là 1,0 : 0,5 : 0,2. Sự sai khác này
là ví dụ cho sự điều hoà dịch mã, có thể đạt được theo hai cách:
(1) Gene lacZ được dịch mã trước. Vì nó là mRNA polycistron và tại mỗi
codon kết thúc thường có một số ribosome tách khỏi mRNA, cho nên sự
tổng hợp các polypeptide có sự phân hoá từ đầu 5' cho đến đầu 3'. Hiện
tượng đó gọi là tính phân cực của các phân tử mRNA polycistron.
(2) Sự suy thoái của mRNA lac được khởi đầu thường xuyên hơn ở gene
lacA so với lacY và hay xảy ra ở gene lacY hơn là lacZ. Do đó số lượng
bản sao hoàn chỉnh của gene lacZ có được nhiều hơn các gene kia.

tự tương ứng ở đầu 3' của rRNA 16S có mặt trong tiểu đơn vị ribosome
bé 30S (theo M.W.King 1996).
Các số liệu thu được cho thấy hiệu quả của sự sử dụng trình tự Shine-
Dalgarno nhất định có thể "chế tác" các protein mà đến lượt chúng lại
bám vào trình tự đó và ngăn cản nó. Được nghiên cứu chi tiết nhất là các
protein của ribosome ở E. coli. Khi tốc độ tổng hợp các protein này vượt
quá mức tạo rRNA thì xảy ra sự tích luỹ các protein ribosome tự do. Số
protein dư thừa này được gọi là các protein "khoá"; chúng bám vào trình
tự Shine-Dalgarno trong các mRNA tương ứng. Nhờ vậy, tốc độ dịch mã
- tổng hợp các protein ribosome được duy trì ở mức không vượt quá khả
năng sử dụng chúng để kiến tạo các ribosome. Có thể nói, sự điều hoà ở
mức dịch mã là sự "cạnh tranh" giữa rRNA và mRNA của các protein
ribosome, gây ra sự kết hợp với các protein "khoá" này. Khi sự dịch mã
mRNA cho các protein ribosome trở nên không thể tiếp tục được nữa (do
sự bám dính bởi các protein "khoá") thì các mRNA này bị suy thoái
nhanh hơn bình thường.
Một ví dụ khác là phage R17 của E. coli chứa RNA thay vì DNA; nhiễm
sắc thể của nó là một phân tử mRNA, vì thế sự biểu hiện của gene chỉ cần
duy nhất sự dịch mã. Phage này tạo ra ba sản phẩm gene - hai protein cấu
trúc (protein A và protein vỏ của phage) và một enzyme tái bản RNA
(replicase). Các phân tử protein vỏ được cần đến nhiều hơn các replicase.
Ngoài ra, sự tổng hợp replicase chỉ cần thiết một lúc sau khi lây nhiễm,
trong khi đó để sản xuất một số lượng các phân tử đủ cho lắp ráp phage
thì sự tổng hợp protein vỏ phải xảy ra trong suốt chu kỳ sống. Sau một
lúc lây nhiễm, cả replicase và các phân tử protein vỏ được dịch mã từ
RNA. Phân tử RNA phage có chứa vị trí bám cho một protein vỏ định
khu giữa codon kết thúc của gene protein vỏ và codon mở đầu AUG của
gene replicase. Khi protein vỏ được tổng hợp, vị trí bám này dần dần
được lấp đầy bởi các phân tử protein và ngăn cản việc dịch mã vùng mã
hoá replicase. Bằng cách đó, việc tổng hợp replicase sẽ dừng lại một lúc