Bài giảng Sinh học phân tử I - Chương II: Các đại phân tử sinh học Acid nucleic và Protein

1. Cấu trúc và chức năng của acid nucleic 2. Cấu trúc và chức năng của protein Chương II. Các đại phân tử sinh học: Axit nucleic và Protein SHPT ra đời trên cơ sở hội tụ của các ngành: • Sinh học tế bào – 1838 Mathias Jacob S. và Theodor Schawann đưa ra thuyết tế bào • Hóa sinh học: – 1928 Griffith – Thí nghiệm chứng minh ADN chứa thông tin di truyền – 1953, Cấu trúc xoắn kép của ADN – Watson, Crick • Di truyền học: – Các định luật di truyền của Mendel (1822-1884) 1. Cấu trúc và chức năng của acid nucleic i. Acid nucleic là vật chất mang thông tin di truyền Acid nucleic (ADN, ARN) là vật chất mang thông tin di truyền Thí nghiệm xác định DNA là vật chất di truyền • 1928 Griffith – Thí nghiệm biến nạp • 1952 Hershey & Chase – Thí nghiệm trên thực khuẩn thể 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 Kết luận • Griffith gọi quá trình này là sự biến nạp (transformation) • Thành phần chuyển từ chủng S sang chủng R gọi là tác nhân biến nạp 1944, Avery, Macleod & McCarty • Bằng kỹ thuật tinh sạch DNA thu từ chủng S, Avery và cộng sự đã chứng minh tác nhân biến nạp là DNA Avery  Dùng phương pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ  32P: Đánh dấu DNA  35S: Đánh dấu protein  Cho thực khuẩn thể đã được đánh dấu với 35S và 32P xâm nhiễm vào tế bào E.coli  Li tâm thu cặn tế bào và xác định đồng vị phóng xạ 1952, thí nghiệm Harshey & Chase Kết quả • Phần cặn tế bào vi khuẩn thu được chứa đồng vị phóng xạ 32P • Như vậy, thực khuẩn thể chỉ chuyển DNA vào tế bào E.coli trong quá trình xâm nhiễm. 1. Cấu trúc phân tử của acid nucleic i. Thành phần cấu tạo ii. Acid deoxyribonucleic -DNA iii. Acid ribonucleic – RNA 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: PO4 3-  Đường (deoxyribose): C5H10O4  Bazơ nitơ (nitrogenous bases): A (Adenine) T(Thymine), G (Guamine) C (Cytosine) Đường (deoxyribose) Bazơ nitơ Gốc phosphate Cấu trúc hóa học Nucleotide Liên kết photphodieste 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 Liên kết bổ xung Tại sao 1 purine lại liên kết với 1 pyrimidine? Quy tắc Chargaff • Tổng số nucleotide của Purine (A và G) bằng tổng số nucleotide của Pyrimidine (C và T) A + G = C + T • Số lượng A luôn bằng số lượng T; số lượng C luôn bằng số lượng G A = T C = G DNA kép không xoắn DNA xoắn kép mạch vòng DNA mạch đơn, thẳng DNA mạch đơn, vòng 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 - 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. Tính chất DNA - DNA mang điện tích âm + protein histon mang điện tích dương  NST trung hòa về điện. 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: PO4 3- • Đường (ribose): C5H10O5 • Bazơ nitơ (nitrogenous bases): A (Adenine) U(Uracine) thay vì T ở DNA G (Guamine) C (Cytosine) Có 3 loại RNA là: mRNA (RNA thông tin) tRNA (RNA vận chuyển) rRNA (RNA Ribosome) Cấu trúc hóa học RiboNucleotide Cấu trúc không gian của RNA Liên kết photphodieste 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 + Cấu trúc dưới dạng 3 chạc, ổn định nhờ 1 số đoạn có liên kết bổ sung. + Có 2 vị trí không có liên kết bổ sung, một là anticodon (bộ 3 nu bổ sung với bộ 3 nucleotit codon của mRNA), còn đầu kia có trình tự CCA nối cộng hóa trị với một axit amin tương ứng. + Tham gia vận chuyển axit Amin trong quá trình dịch mã tổng hợp protein rRNA + Là thành phần chính của ribosome, giúp mRNA và tRNA kết gắn các amino axit tạo thành chuỗi protein. + Chiếm 80% tổng RNA của tế bào, nằm chủ yếu ở tế bào chất + Các rRNA kết hợp với các protein chuyên biệt tạo thành các ribosome. + Tùy theo hệ số lắng S, mà rRNA của sinh vật nhân thật chia thành nhiều loại: 28S, 18S, 5,8S và 5S. + rRNA của mọi tế bào đều gồm 1 tiều phần lớn và 1 tiểu phần nhỏ. 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. Protein - Protein là phân tử trùng phân được hình thành từ các đơn vị là Axit amin - Cấu tạo hóa học của 1 axit amin - Có 20 loại Axit amin β α Cấu trúc bậc 2 Cấu trúc bậc 3 Cấu trúc bậc 1 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 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 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 được 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 1. Tại sao mã di truyền lại là mã bộ 3 2. Tại sao thông tin di truyền chủ yếu lại là DNA mà không phải là RNA 3. Tại sao lại gọi là “thông tin” – genetic information Webb Miller (left) and Stephen Schuster (right)