Acid nuceic

ACID NUCLEIC
CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG
MÔN: NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

Người thực hiện : Đỗ Thị Thu Hiền
Lớp : Cao học Sinh – Khóa 9
Người hướng dẫn : TS Võ Văn Toàn- Đại học Quy Nơn

I. KHÁI NIỆM VỀ AXIT NUCLEIC:

Axít nucleic là một đại phân tử sinh học có phân tử lượng lớn được cấu tạo từ các chuỗi nucleotide nhằm truyền tải thông tin di truyền. Hai loại axít nucleic phổ biến nhất là deoxyribonucleic axit (ADN) và ribonucleic axit (RNA). Axít nucleic có mặt ở hầu hết các tế bào sống và virut.
1. ADN

ADN là nơi chứa mọi thông tin chỉ dẫn cần thiết để tạo nên các đặc tính sự sống của mỗi sinh. Mỗi phân tử ADN bao gồm các vùng chứa các gene cấu trúc, những vùng điều hòa biểu hiện gene, và những vùng không mang chức năng, hoặc có thể khoa học hiện nay chưa biết rõ gọi là junk ADN.
Hình 1:
Cấu trúc hóa học của ADN
Hình 2:
Mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN
2. ARN
* Về mặt cấu trúc, là một chất trùng hợp gồm nhiều nucleotid gắn với nhau giống như trong chuỗi đơn của của phân tử AND, hình thành một chuỗi đơn polynucleotid.

* Cấu trúc phân tử ARN khác với AND ở 3 điểm
+ Chỉ gồm 1 mạch đơn poliribonucleotit .
+ Đường pentose (5C) là đường ribose .
+ Ngoài A,G,X thì uracil (U) thay cho timin (T)
Hình 3: Mô hình cấu trúc phân tử tARN
II. CƠ CHẾ SAO CHÉP CỦA ADN
(TỰ NHÂN ĐÔI HAY TÁI BẢN ADN)
* Nguyên tắc khuôn mẫu: hai mạch đơn của phân tử ADN ban đầu tách ra và đều làm khuôn mẫu để tạo mạch mới, từ đó hình thành 2 phân tử ADN mới giống nhau và giống phân tử ADN ban đầu.
* Nguyên tắc bổ sung: Các nucleotit tự do kết hợp với các nucleotit trên hai mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung :
* Nguyên tắc bán bảo toàn (giữ lại một nửa ): Trong mỗi phân tử ADN “con” mới tạo thành có 2 mạch: 1 mạch củ của ADN “mẹ” và 1 mạch mới tổng hợp.
* Nguyên tắc nửa gián đoạn: Trong 2 mạch mới tổng hợp, có 1 mạch được hình thành liên tục theo chiều 5’ -->3’, mạch mới còn lại hình thành gián đoạn theo từng đoạn okazaki, sau đó được nối lại để hình thành mạch đầy đủ có chiều 3’ -->5’.
1. Nguyên tắc sao chép :
2. Sao chép ADN ở Prokaryote:
2.1 Sự sao chép của ADN được thực hiện theo kiểu bán bảo tồn (semi – conservative).
Đầu quá trình sao chép hai mạch của chuỗi xoắn kép tách rời nhau, mỗi mạch đơn được dùng làm khuôn để tổng hợp mạch mới. Kết quả là một phân tử ADN ban đầu sẽ tạo ra hai phân tử con giống hệt nhau, mỗi phân tử con được hình thành từ một mạch cũ và một mạch mới. Thí nghiệm của Meselson và Stahl (1958) đã chứng minh rõ điều này
Người ta nuôi E.coli trong môi trường có nguồn nitơ là 15N, tế bào sẽ sử dụng 15N để tổng hợp ADN cho đến khi phân tử ADN sinh ra hoàn toàn là ADN nặng. Sau đó người ta chuyển các tế bào sang môi trường có 14N. Kết quả sao chép phù hợp với kiểu sao chép bán bảo toàn :
+ H (High) là mạch nặng tổng hợp từ 15N.
+ L (Low) là mạch nhẹ tổng hợp từ 14N.
Hình 4: Sự tự sao bán bảo tồn của ADN
2.2 Quá trình sao chép khởi sự bằng việc tháo xoắn phân tử ADN.


*Dạng 1 là dạng siêu xoắn. Là dạng cơ bản, cả về mặt cấu trúc lẫn chức năng.
*Dạng 2 có cấu trúc lợi hơn, thường do đứt một chỗ trên một trong 2 mạch của phân tử ADN.
*Dạng 3 tương ứng với cấu trúc thẳng, do sự cắt đứt trên cả 2 mạch của phân tử ADN. Để bắt đầu sao chép, phân tử ADN phải được tháo xoắn nhờ vào những enzyme có tên là topoisomerase:
- Các topoisomerase loại 1 tháo dạng siêu xoắn . - Các topoisomerase loại 2 có khả năng tháo các nút nảy sinh do các biến đổi cấu trúc của chuỗi xoắn kép.
Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử cho thấy rằng sự sao chép bắt đầu từ một điểm (điểm khởi đầu sao chép) trên nhiễm sắc thể dạng vòng của vi khuẩn và lan theo hai hướng cho đến khi đụng nhau ở một điểm đối diện với điểm khởi đầu sao chép . Lúc đó, hai nhiễm sắc thể mới – dạng vòng – thành hình (như hình 3). Ở eucaryote, do kích thước rất lớn của bộ gen, sự sao chép không xảy ra tại một điểm mà được tiến hành đồng thời tại nhiều điểm. Ở người có từ 20 đến 30000 điểm khởi đầu sao chép. Đơn vị sao chép, là vùng ADN được sao chép từ một điểm khởi đầu được gọi là replicon, chiều dài một replicon ở người khoảng 100 đến 200 kb. Mỗi nhiễm sắc thể vi khuẩn là một replicon.
2.3 Quá trình sao chép là một cơ chế sinh hóa phức tạp trải qua nhiều bước với sự tham gia của nhiều nhân tố .

Hình 5: Sao chép replicon ở tế bào vi khuẩn.
2.4 Sự sao chép bắt đầu bằng việc tổng hợp mồi (primer) ARN.


Các ADN polymerase chỉ có thể tổng hợp ADN bằng cách nối dài một mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn. Mồi này là một ARN nhỏ được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosome. Primosme bao gồm nhiều protein và một enzyme tổng hợp ARN từ khuôn AND gọi là primase.
Hình 6: Sự tham gia của các enzim và protein khác nhau
vào quá trình tổng hợp ADN
Hình 7: Quá trình tự sao ADN

2.5 Hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp.
Khi sự sao chép kết thúc, các mồi ARN bị enzyme RNase H phân hủy. Các lỗ hỏng để lại do tác động của enzyme này trên mạch mới tổng hợp sẽ được lấp nhờ hoạt động của enzyme ADN polymerase I. Cuối cùng thì enzyme ligase sẽ nối tất cả những chỗ gián đoạn trên các mạch mới tổng hợp.

2.6 Sửa chữa tức thời các sai sót
Trong quá trình tổng hợp, ADN polymerase III có tỉ lệ nhầm là 10-4 trong khi tỉ lệ nhầm trên các mạch mới tổng hợp chỉ khoảng 10-8. Sai khác nhau là do các DNA polymerase có khả năng nhận biết các sai lầm của mình và tức thời sửa sai. Khả năng sửa sai của các enzyme này dựa trên hoạt tính polymerase (tổng hợp) và hoạt tính 3’exonuclease( phân hủy ADN từ đầu 3’). Nhờ hoạt tính exonuclease, chúng loại bỏ ngay nucleotide bị gắn nhầm và thay bằng nucleotide phù hợp.

3. Sự sao chép ở Eucaryote:
Cơ chế sao chép nêu trên được rút ra từ các nghiên cứu trên procaryote. Sự sao chép ở eucaryote cho thấy hệ thống này khá gần với hệ thống sao chép ở procaryote. Tuy nhiên vẫn có khác biệt chủ yếu sau:
* Sự sao chép ADN ở tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotit/giây).
* Điểm khác căn bản là sao chép AND ở tế bào nhân thực có nhiều điểm xuất phát (điểm ori hay replicon) , trong khi ở procaryote chỉ có một điểm xuất phát.
* Ngoài các polymerase kể trên, hệ thống sao chép ở eucaryote còn có sự tham gia của nhiều protein chuyên biệt như: PCNA (Prolyferatin Cell Nuclear Antigen – kháng nguyên trong nhân tế bào đang phân chia) có chức năng hoạt hóa các polymerase  và , các nhân tố sao chép A và C (Replication Factor, Rf – A, Rf –C) cần cho hoạt động của các polymerase  và ,…
III. SỰ PHIÊN MÃ
1.1 Những đặc điểm chủ yếu
-Sự phiên mã là một phản ứng enzim tổng hợp ARN từ khuôn ADN :
ARN được tổng hợp từ khuôn AND theo nguyên tắc bổ sung tương tự như sao chép một sợi ADN mới từ khuôn AND đã có. Hai mạch của phân tử ADN sẽ tách rời nhau và một mạch đơn được dùng làm khuôn. Chính sự hiện diện của một enzim chuyên biệt ARN polimerase sẽ quyết định việc sử dụng khuôn này vào sinh tổng hợp ARN thay vì sao chép một sợi ADN mới. Hiện tượng sao mã dù mang tính chính xác cao, nhưng do không có cơ chế sữa sai đi kèm nên độ chính xác kém xa ở quá trình sao chép. Tuy nhiên vì các ARN được phiên mã không bao giờ được sao chép lại nên các sai sót có thể xảy ra không ảnh hưởng đến việc truyền đạt thông tin cho thế hệ sau .
1. PHIÊN MÃ Ở PROCARYOTE
- Chỉ một trong hai mạch đơn của phân tử ADN được dùng làm khuôn:
Ở mức độ từng gen riêng biệt, ARN polimerase quyết định việc chọn mạch khuôn bằng cách gắn vào một trình tự đặc hiệu trên mạch chọn làm khuôn, trình tự đó được gọi là promotor.
- Chỉ một loại enzim ARN polimerase chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại ARN.
ARN polimerase có cấu trúc 4 bậc rất phức tạp, bao gồm 5 chuỗi polipeptit ’ ,  ,  ,  và  nối với nhau bởi các liên kết hoá học yếu .Cấu trúc phức tạp này có lẽ liên quan đến sự phức tạp và đa dạng của các cơ chế kiểm tra quá trình phiên mã .
Hình 8: Sơ đồ cấu trúc enzyme RNA polymerase của E.coli
Lõi enzyme Nhân tố 
1.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã: khởi động, kéo dài và kết thúc

a- Giai đoạn khởi động :
ARN polimerase nhận biết trình tự khởi động trên sợi ADN (promotor), nhờ tiểu đơn vị  . Với sự hiện diện của , enzim có khả năng gắn chuyên biệt vào đúng promotor. Nhân tố  nhận biết được promotor là nhờ cấu trúc đặc trưng của nó. Đặc điểm cấu trúc của promotor là hai trình tự gồm 6 nucleotit, một trình tự nằm cách điểm vị trí bắt đầu sinh tổng hợp ARN 10 cặp nucleotit(trình tự –10), trình tự kia cách 35 cặp nucleotit (trình tự –35).
ARN polimerase gắn vào promotor theo 2 bước: Trước hết, enzim nhận biết và gắn một cách lỏng lẻo vào trình tự -35 hình thành một phức hợp “đóng”. Sau đó phức hợp này chuyển thành phức hợp “mở”, trong giai đoạn này một vùng ADN bắt đầu từ trình tự –10 sẽ được tháo xoắn và một sợi đơn AND phơi ra dượi dạng tự do làm khuôn cho sự sinh tổng hợp ARN.
Trình tự-35 Trình tự-10 (hộp Pribnow)


5 TGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATAAT CTCAAT AGGTCC 3
3 ACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATG ATATTA GAGTTATCCAGG5
Hình 9: Sơ đồ vị trí promoter của vi khuẩn E.coli
,

-35

-10

+1
Vị trí khởi đầu phiên mã
,

,
,
b- Giai đoạn kéo dài :
Khi phân tử ARN đạt chiều dài khoảng 8 nucleotit thì nhân tố  tách khỏi phức hợp enzim, lúc này  lại có thể gắn vào một promotor khác để khởi động một quá trình phiên mã mới .Sự tách rời nhân tố  cần thiết cho giai đoạn kéo dài vì sự có mặt tiếp tục của nó sẽ gắn chặc phức hợp enzim và promotor khiến cho enzim không thể trược dài theo sợi khuôn ADN để tiến hành sinh tổng hợp. Nhân tố  được thay thế bằng nhân tố kéo dài (elongation factors).
Hình 10: Nhân tố  và enzim RNA polymerase
trong phiên mã tổng hợp của vi khuẩn E.coli
c- Giai đoạn kết thúc :
Trên ADN của vi khuẩn tồn tại những dấu hiệu gọi là dấu hiệu kết thúc. Khi ARN polimerase gặp dấu hiệu này, nó sẽ ngừng quá trình sinh tổng hợp, nhả sợi ADN khuôn và lại có thể bắt đầu hoạt động ở nơi khác. Dấu hiệu kết thúc:
+ Nhân tố p: Đó là một protein gồm 6 tiểu đơn vị. Cơ chế hoạt động của nhân tố này chưa được rõ nhưng người ta đã chứng minh được rằng một đoạn dài 70-80 nucleotit của phân tử ARN mới tổng hợp quấn quanh protein p.
+ Một cấu trúc đặc biệt trên sợi khuôn: Bao gồm hai trình tự đối xứng bổ sung, tiếp theo là một loạt 6 adenin. Ngay khi hai trình tự đối xứng bổ sung được hình thành trên ARN, chúng có thể bắt cặp với nhau tạo thành cấu trúc “kẹp tóc” ngăn không cho ARN polimrrase tiếp tục tổng hợp. Phần sợi khuôn nằm sau ARN polimrrase sẽ trở lại cấu trúc ban đầu, tách rời khỏi enzim và sợi ARN mới tổng hợp.
Hình 11: Sơ đồ phiên mã và dịch mã ở prokaryote
2. PHIÊN MÃ Ở EUCARYOTE :
2.1 Những điểm khác biệt so với ở Procaryote:
+Tất cả các gen ở procaryote đều được phiên mã bởi một polimerase duy nhất trong khi ở eucaryote có 3 loại ARN polimerase chịu trách nhiệm phiên mã các loại gen khác nhau : loại I cho các ARN của riboxom ,loại II phiên mã cho các ARN thông tin và loại III dành cho các ARN kích thước nhỏ như các ARN vận chuyển ARN 5S .
+Các mARN vừa được phiên mã từ ADN hầu như không bao giờ được dịch mã ngay thành protein như ở procaryote. Đầu tiên ,các tiền ARN thông tin được hình thành trong nhân sẽ phải chịu một số biến đổi hoá học trước khi xuất hiện trong tế bào chất dưới dạng hoạt động . Các ARN của riboxom cũng được hình thành trong nhân dưới dạng một phân tử tiền thân 45S .Phân tử tiền thân 45S sau đó chịu nhiều biến đổi hoá học ,bị phân cắt thành 3 ARN hoạt động (18S ,28S và 5,8S) rồi mới được chuyển ra tế bào chất .
+ Do cấu trúc có nhân của eucaryote, quá trình phiên mã tạo mARN xảy ra trong nhân, còn quá trình dịch mã hình thành protein lại xảy ra ở tế bào chất nên hai quá trình này không diễn tiến đồng thời như ở procaryote .
+ Sự khởi động phiên mã ở các cá thể đa bào eucaryote không đáp ứng tức thời với điều kịên ngoại cảnh như với procaryote. Do cấu trúc phức hợp chặc chẽ với histon, quá trình chỉ bắt đầu sau nhiều thay đổi khiến phức hợp này trở nên lỏng lẻo hơn
+ Một đặc điểm của các mARN ở eucaryote là một gen phiên mã tạo thành một phân tử mARN, từ đó dịch mã tạo thành một chuỗi polipeptit (monocistronic), trong khi ở procaryote mỗi phân tử ADN (gồm nhiều gen ) phiên mã tạo thành một phân tử mARN và mỗi mARN mã hoá cho nhiều chuỗi polipeptit (policistronic).
Hình 12: Vòng đời của một mRNA trong tế bào eukaryote
2.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã ở Eucaryote:
a. Quá trình tạo thành tiền ARN: Gồm các giai đoạn sau:
-Giai đoạn khởi động: chịu sự kiểm tra của một trình tự “hộp TATA” nằm trước vị trí bắt đầu độ 25-35 nucleotit.
-Giai đoạn kéo dài : Phân tử ARN được tổng hợp từ mạch khuôn ADN .Quá trình này được tiến hành nhờ nhân tố TFIIS.
-Giai đoạn kết thúc: Sự phiên mã kết thúc trước điểm gắn đuôi poli A rất xa. Sự kết thúc phiên mã liên quan đến những cấu trúc dạng “kẹp tóc” tiếp ngay sau là một trình tự giàu GC .
b-Quá trình trưởng thành của tiền ARN: gồm các bước sau
-Gắn mũ chụp (capping): Ngay sau khi bắt đầu phiên mã, một guanin có gắn nhóm methyl ở N7 (7 methyl guanin) gắn vào đầu 5’ của mARN nhờ liên kết 5’- 5’ triphosphat .
-Gắn đuôi poli A: Ngay sau khi được phiên mã, các mARN sẽ bị cắt bỏ khoảng 20 nucleotit nằm trước một trình tự AAUAAA, đây là trình tự nhận biết cho phản ứng cắt. Sau đó một enzim có trong nhân (poliA polimerase ) sẽ gắn một số lượng adenin nhất định (khoảng 250 ở động vật có vú , 100 ở eucaryote bậc thấp ) vào đầu 3’ của mARN.
Hình 13: Vị trí vùng phiên mã của Eukaryote
2.3 Phiên mã tổng hợp rARN

Các phân tử rARN được tổng hợp từ các gen đặc trưng riêng, các gen mã hóa rARN thường nằm ở vùng ADN lặp lại. Phân tử rARN được tổng hợp theo nguyên lí Chargaff, tạo nên các phân tử tiền rARN.
Các phân tử tiền rARN qua một quá trình biến đối có sự tham gia cắt nối của enzim RNase trở thành các dạng rARN hoạt động, có thể tham gia quá trình dịch mã trong tế bào chất. Các dạng rARN hoạt động gồm nhiều loại khác nhau, tế bào procaryote có các loại rARN 16S, rARN 23S và rARN 5S, tế bào eucaryote có các loại rARN 18S, rARN 28S và rARN 5,8S.
2.4 Phiên mã tổng hợp tARN
Các gen mã hóa tARN thường nằm trong vùng ADN lặp lại, có thể ở vị trí trong các gen đệm (spacer). Gen mã hóa tARN của eucaryote có nhiều bản sao. Số lượng gen mã hóa tARN của eucaryote lớn hơn procaryote nhiều lần.
Các gen mã hóa tARN thường phân bố ở các vùng ADN lặp lại của bộ gen, mỗi đoạn ADN lặp lại chứa hai hoặc nhiều loại gen mã hóa các loại tARN khác nhau. Một số gen mã hóa tARN cùng loại được phân bố tập trung trên các đoạn tARN lặp lại ít. Quá trình phiên mã thường tạo nên các phân tử tiền tARN (pre-tARN) chung cho một số tARN vận chuyển. Phân tử tiền tARN qua quá trình bị biến đổi, các intron được cắt bỏ, các exon được nối với nhau thành tARN hoạt động được đưa ra ngoài tế bào chất. Gen mã hóa tARN vận chuyển axit amin tyrosine (tARN.Tyr) có một intron 14bp nằm gần bộ ba đối mã (anticodon). Sau khi phân tử pre-tARN.Tyr được tổng hợp bị cắt bỏ một đoạn 14 ribonucleotid trở thành dạng tARN hoạt động.
Hình 16: Sơ đồ phiên mã tổng hợp tRNA ở E.Coli
Hình 16:
Cơ chế sinh tổng hợp ARN
Nhiều gen mã hóa tARN có thể nằm kề nhau trên một đaọn ADN ngăn cách bằng các gen đệm, chẳng hạn ở tế bào E.Coli có hai gen mã hóa 2 loại tARN vận chuyển axit amin threonin và serin nằm kề nhau, ngăn cách bằng một đoạn đệm dài 6 bp. Sau khi phiên mã đoạn đệm được cắt bỏ, phân tử tARN.ser cắt bỏ tiếp 10 ribonucleotid ở đầu 5’ còn tARN.thr được cắt bỏ 3 ribonucleotid ở đầu 3’ tạo thành các tARN hoạt động.
-Cơ chế sao chép ADN: Bảo đảm truyền đạt trung thành thông tin di truyền mã hoá trong phân tử ADN qua các thế hệ, trong đó từ một phân tử AND hình thành nên hai phân tử mới giống hệt phân tử ban đầu. Hai phân tử mới sẽ phân bố về hai tế bào con trong quá trình phân bào. Quá trình sao chép gồm nhiều giai đoạn với sự tham gia của nhiều nhân tố.
Các hệ thống sửa sai của tế bào giúp sữa chữa các sai hỏng xảy ra trên ADN trong quá trình sao chép cũng như trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sống dưới tác động của các tác nhân lí, hoá của môi trường.
Sự sao chép ADN cơ bản giống nhau ở procaryote và eucaryote, đặc biệt phức tạp hơn ở eucaryote.

KẾT LUẬN
-Sự phiên mã : Về cơ bản giống như sự sao chép, đó là quá trình sinh tổng hợp ARN từ khuôn ADN. Do cấu trúc gen khác nhau, sự phiên mã ở procaryote và ở eucaryote bên cạnh những điểm tương đồng còn có những khác biệt :
+ Điểm giống nhau: quá trình phiên mã đều gồm ba giai đoạn: khởi động, kéo dài, kết thúc .
+ Các khác biệt :
-Một loại ARN polimerase ở procaryote so với ba loại ở eucaryote .
-Các nhân tố tham gia vào giai đoạn khởi động, kéo dài, kết thúc không giống nhau .
-Ở eucaryote, sự phiên mã không tạo ra các mARN hoạt động. Các tiền mARN phải qua nhiều biến đổi hoá học trước khi trở thành mARN trưởng thành như : ghép nối (splising) , gắn mũ chụp (capping) , gắn đuôi poliA .
-mARN ở procaryote là mARN polycistronic; còn ở eucaryote đó là mARN monocistronic (mỗi) mARN chỉ mã hoá cho một protein .