Giáo trình Sinh học phân tử (Phần 1) - Hoàng Trọng Phán

Nội dung text: Giáo trình Sinh học phân tử (Phần 1) - Hoàng Trọng Phán

1. và G-C là b ền v ững, còn các ki ểu A-C và G-T vì ch ỉ có m ột liên k ết hydro, kém b ền nên chúng ch ỉ xu ất hi ện nh ư là ngo ại l ệ khi có s ự h ỗ bi ến c ủa các baz ơ và h ậu qu ả là d ẫn t ới s ự phát sinh các độ t bi ến thay th ế baz ơ d ạng đồ ng hoán trong quá trình tái b ản ADN (ch ươ ng 7). 1.4.3. Các d ạng bi ến đổ i c ủa ADN Mô hình Watson-Crick hay ADN dạng B là c ấu trúc ph ổ bi ến. Tuy nhiên, sau này ng ười ta còn phát hi ện ra nhi ều d ạng xo ắn ph ải khác (A, C, D ); chúng có một s ố bi ến đổ i so v ới ADN-B (Bảng 1.3). Bên c ạnh các d ạng ADN xo ắn ph ải (A, B, C ), Alexander Rich và đồng s ự (1979) còn phát hi ện thêm m ột d ạng ADN xo ắn trái duy nh ất cho đế n nay. D ạng ADN này có b ộ khung zigzag uốn g ập khúc theo chi ều xo ắn trái, m ỗi vòng xo ắn dài 45,6A o ch ứa 12 c ặp baz ơ. Nhìn chung, so v ới ADN d ạng B, ADN-Z dài và thon g ầy h ơn, các rãnh l ớn b ị d ẹt ra ph ần b ề m ặt c ủa chu ỗi xo ắn; còn ADN d ạng A ng ắn và m ập h ơn (Hình 1.10; B ảng 1.3). Bảng 1.3. Một s ố đặ c điểm chính c ủa các ADN d ạng A, B và Z. Dạng Chi ều xo ắn Số bp/vòng xo ắn Đường kính chu ỗi xo ắn A Ph ải 11,0 23A o B Ph ải 10,0 19A o Z Trái 12,0 18A o Nh ững vùng nào c ủa ADN có ch ứa các purine và pyrimidine s ắp x ếp xen k ẽ nhau trên m ột mạch thì có th ể ti ếp nh ận c ấu hình ADN-Z, ví d ụ: 5' CGCGCG 3' 3' GCGCGC 5' Sự chuy ển đổ i này di ễn ra thu ận l ợi b ởi s ự có m ặt c ủa 5-methylcytosine và b ởi tr ạng thái siêu xo ắn âm (negative supercoiling). ADN là m ột phân t ử độ ng h ọc, vì v ậy nó có th ể chuy ển t ừ m ột c ấu hình này sang m ột c ấu hình khác d ựa trên các l ực bên ngoài trong t ế bào. S ự chuy ển đổ i t ừ d ạng B sang d ạng Z có th ể có liên quan đến s ự điều hoà bi ểu hi ện gen. C ấu trúc này c ũng có m ặt trong các tế bào s ống v ới m ột t ỷ l ệ r ất nh ỏ song ch ức n ăng c ủa nó còn ch ưa th ật s ự hi ểu rõ. Hình 1.10. Các mô hình ADN dạng A, B và Z. 1.4.4. Đặc tính hóa lý c ủa ADN Một trong nh ững đặ c điểm quan tr ọng nh ất c ủa ADN là hai m ạch đơn b ổ sung c ủa nó g ắn v ới 11
2. nhau b ằng các liên k ết hydro, v ốn là l ực hóa h ọc y ếu nên chúng có th ể b ị phân h ủy d ưới tác d ụng của các enzyme, n ăng l ượng làm cho hai m ạch đơn c ủa chu ỗi xo ắn kép tách r ời nhau, g ọi là bi ến tính (denaturation). Nh ờ đó ADN mới có th ể tái b ản và các gen có th ể phiên mã và bi ểu hi ện ra s ản ph ẩm c ủa chúng. M ặt khác, ADN có th ể ph ục h ồi tr ạng thái ban đầ u gọi là hồi tính (renaturation). Bằng th ực nghi ệm, ng ười ta đã ch ứng minh điều đó b ằng cách s ử d ụng các tác nhân v ật lý và hóa h ọc khác nhau. Ch ẳng h ạn, khi đun nóng t ừ t ừ khi đun nóng t ừ t ừ dung d ịch ch ứa ADN thì ở nhi ệt độ v ừa ph ải, thì các phân t ử ADN b ị bi ến tính t ừng ph ần, và khi t ăng lên t ới nhi ệt độ g ần 100 oC (th ường là 90-95 oC) thì các liên k ết hydro c ủa chúng b ị phá h ủy hoàn toàn và hai m ạch b ổ sung tách ra (bi ến tính hoàn toàn). Điều đó có th ể gi ải thích nh ư sau: Vì m ỗi c ặp A-T ch ỉ có hai liên kết hydro, kém b ền h ơn so v ới m ỗi c ặp G-C có t ới ba liên k ết, cho nên các vùng giàu c ặp A-T s ẽ tách t ừng ph ần tr ước, trong khi các vùng giàu c ặp G-C v ẫn gi ữ nguyên đặc tính xo ắn kép và ch ỉ tách ở nhi ệt độ cao. Ng ược l ại, khi làm ngu ội t ừ t ừ dung d ịch ADN nóng ch ảy hoàn toàn này thì các mạch đơ n th ường c ặp lại với mạch bổ sung c ủa chúng và làm ph ục h ồi cấu trúc chu ỗi xo ắn kép nh ư lúc đầu. Đây là hai quá trình thu ận-ngh ịch. – Bi ến tính hay sự tách hai mạch của chu ỗi xo ắn kép ADN Trong khi các t ỷ s ố G v ới C và A v ới T trong ADN của m ột sinh v ật là c ố đị nh, thì hàm l ượng GC (t ỷ l ệ ph ần tr ăm c ủa G + C) có th ể sai khác nhau m ột cách đáng k ể gi ữa các ADN thu ộc các loài khác nhau. Bảng 1.4 cho th ấy hàm l ượng GC c ủa ADN nhi ều loài sinh v ật. Các tr ị s ố này bi ến thiên từ 22% đến 73%, và điều đó được ph ản ảnh trong s ự sai khác v ề các đặ c tính c ủa ADN. Nhi ệt độ mà t ại đó các m ạch ADN tách nhau m ột n ửa được g ọi là nhi ệt độ nóng ch ảy (melting temperature), ký hi ệu là Tm. T m là điểm gi ữa c ủa pha chuy ển ti ếp và nó tùy thu ộc vào hàm lượng GC c ủa ADN, ngh ĩa là đặc tr ưng cho ADN m ỗi loài. Trên th ực t ế, hàm l ượng GC c ủa ADN càng cao thì T m của nó càng cao (Hình 1.12). Ví d ụ, ADN c ủa E. coli với 50-51% GC thì có T m là 69- 70 oC. T ươ ng t ự, k ết qu ả x ử lý nhi ệt đố i v ới ADN ph ế c ầu khu ẩn Streptococcus pneumoniae và nhi ệt độ nóng ch ảy c ủa nó được đo b ằng s ự gia t ăng độ h ấp th ụ ở 260-nm cho phép thu được đường o cong nóng ch ảy c ủa vi khu ẩn này. T m cho ADN này d ưới nh ững điều ki ện nh ư th ế là kho ảng 85 C (Hình 1.11). Bảng 1.4. Hàm l ượng t ươ ng đối (G + C) c ủa các ADN khác nhau Ngu ồn ADN (G+C)% Ngu ồn ADN (G+C)% Dictyostelium (m ốc nh ầy) 22 Lách chu ột 44 Streptococcus pyogens 34 Tinh trùng cá h ồi 44 Bacillus cereus 37 B. subtilis 44 Hemophilus influenzae 39 Escherichia coli 51 Saccharomyces cerevisiae 39 Phage T7 51 Tuy ến ức bê 40 Phage T3 53 Gan chu ột (Rattus) 40 Neurospora crassa 54 Streptococcus pneumoniae 42 Herpes simplex virus 72 Mầm lúa m ỳ 43 Mycobacterium phlei 73 12
3. Hình 1.11. Đường cong nóng ch ảy c ủa ADN Streptococcus pneumoniae . ADN s ợi kép b ị bi ến tính bởi vi ệc đun nóng và nhi ệt độ nóng ch ảy c ủa nó được đo b ằng s ự t ăng độ h ấp th ụ ở b ước sóng 260 nm. Điểm mà t ại đó 50% c ặp baz ơ b ị bi ến tính hay m ột n ửa ADN có d ạng s ợi đơn g ọi là o nhi ệt độ nóng ch ảy (T m). Ở ví d ụ này là kho ảng 85 C. (Ph ỏng theo P. Doty, The Harvey Lectures 55:121, 1961). – Sự ph ục h ồi tr ạng thái nguyên th ể c ủa ADN hay h ồi tính Một khi hai m ạch c ủa ADN tách ra, d ưới nh ững điều ki ện thích h ợp chúng có th ể k ết h ợp tr ở lại và ph ục h ồi tr ạng thái ban đầ u. Góp ph ần vào hi ệu qu ả "h ồi tính" này c ủa ADN có nhi ều nhân tố. D ưới đây nêu lên ba nhân t ố quan tr ọng nh ất: (i) Nhi ệt độ tối ưu cho s ự h ồi tính c ủa m ột ADN là kho ảng 25 oC d ưới nhi ệt độ nóng ch ảy c ủa nó; (ii) Nồng độ ADN trong dung d ịch c ũng quan tr ọng. Trong gi ới h ạn h ợp lý, n ồng d ộ ADN càng cao thì hai m ạch b ổ sung s ẽ càng d ễ dàng b ắt g ặp nhau trong m ột th ời gian nào đó. Nói cách khác, n ồng độ càng cao thì s ự hàn g ắn tr ở l ại càng nhanh. (iii) Th ời gian cho phép hai m ạch hàn g ắn tr ở l ại càng dài thì s ự h ồi tính x ảy ra càng d ễ dàng. Hình 1.12. Mối quan h ệ gi ữa nhi ệt độ nóng ch ảy c ủa ADN và hàm l ượng GC. ADN ch ỉ có AT (AT-DNA) là các ADN t ổng h ợp bao g ồm ch ủ y ếu là A và T (hàm l ượng GC = 0). (Ph ỏng theo P. Doty, The Harvey Lectures 55:121, 1961). 13
4. 1.4.5. Ch ức n ăng c ủa ADN Ngày nay, chúng ta đều bi ết r ằng ADN hay b ộ gen c ủa t ất c ả các sinh v ật nói chung có ch ức năng chính là mang đầy đủ toàn b ộ thông tin di truy ền đặc tr ưng của loài. Thông tin này được ghi l ại dưới d ạng m ật mã, g ọi là mã di truy ền, ch ứa đự ng trong các gen c ấu trúc cũng nh ư các yếu t ố điều hòa để điều khi ển m ọi ho ạt độ ng sinh tr ưởng, phân chia và bi ệt hoá c ủa t ế bào. Các ch ức n ăng và c ơ ch ế truy ền đạ t thông tin di truy ền chính y ếu c ủa ADN được mô t ả tóm t ắt nh ư d ưới đây. Hơn n ữa, ADN hay v ật ch ất di truy ền nói chung đều có kh ả n ăng t ự sao chép m ột cách chính xác b ản thân nó trong quá trình tái b ản (replication). Đấy là cơ s ở c ủa s ự t ự nhân đôi nhi ễm s ắc th ể và phân chia t ế bào, qua đó truy ền đạ t v ật ch ất di truy ền cho th ế h ệ sau. Đó còn là các quá trình ho ạt động và điều hoà s ự bi ểu hi ện c ủa các gen trong b ộ gen, th ường được k ể đế n nh ư là các quá tình phiên mã (transcription) và dịch mã (translation) để tổng h ợp các phân t ử ARN và cu ối cùng là các protein tham gia vào các c ấu trúc và ho ạt độ ng cơ s ở của t ế bào. Nh ờ đó mà con cái sinh ra th ường gi ống v ới cha m ẹ, m ỗi loài duy trì s ự ổn đị nh t ươ ng đối b ộ gen c ủa mình và nói r ộng ra là, nh ờ đó mà sự s ống được duy trì m ột cách liên t ục k ể t ừ khi s ự s ống b ắt đầ u hình thành trên trái đất cách đây ch ừng ba t ỷ r ưỡi n ăm. Mặt khác, ADN còn có kh ả n ăng phát sinh các bi ến đổ i trong quá trình phát tri ển cá th ể và sinh sản. Đó là các đột bi ến gen (gene mutations) gây ra b ởi tác độ ng c ủa các tác nhân v ật lý và hoá h ọc khác nhau, ho ặc do chính các sai sót trong quá trình tái b ản, ho ặc do s ự d ịch chuy ển v ị trí c ủa b ản thân các gen trong b ộ gen - các yếu t ố di truy ền v ận độ ng (transposable genetic elements) hay còn g ọi là các gen nh ảy (jumping genes) – gây nên sự bi ến độ ng c ủa b ộ gen và bi ến đổ i ở ki ểu hình. Ngoài ra, đó còn là các quá trình tái t ổ h ợp di truy ền (genetic recombination) t ạo nên các bi ến d ị t ổ h ợp phong phú và đa d ạng trong quá trình sinh s ản c ủa sinh v ật. Chính các quá trình bi ến đổ i đa d ạng này đã không ng ừng t ạo nên các ngu ồn bi ến d ị di truy ền s ơ c ấp và th ứ c ấp cho s ự ch ọn l ọc và ti ến hoá c ủa sinh gi ới. 2. C ấu trúc và ch ức n ăng c ủa protein 2.1. C ấu trúc c ủa protein Các protein là nh ững polymer sinh h ọc được t ạo ra b ởi s ự k ết n ối c ủa các axit amin (amino acid) v ới nhau b ằng các liên k ết peptide . Có 20 lo ại L-α-axit amin được phát hi ện trong các protein của các t ế bào. Về c ấu trúc, nói chung, m ỗi axit amin g ồm có m ột nguyên t ử carbon alpha (C α) ở v ị trí trung tâm, đính xung quanh nó là m ột nhóm ạmin (-NH 2), m ột nhóm carboxyl (-COOH), m ột nguyên t ử hydro (-H) và m ột g ốc R hay chu ỗi bên đặc tr ưng cho t ừng lo ại axit amin (Hình 1.14). Khi ở tr ạng + thái dung d ịch, các nhóm amin và carboxyl th ường phân ly thành tr ạng thái ion, t ươ ng ứng là H3N- và -COO − (Hình 1.13). 14
5. (a) (b) Hình 1.13. (a) Cấu trúc chung của các axit amin. (b) Một dipeptide. Hai axit amin n ối v ới nhau b ằng m ột liên k ết peptide (−CO −NH−) gi ữa nhóm carboxyl c ủa axit amin này v ới nhóm amin c ủa axit amin k ế ti ếp và lo ại tr ừ m ột phân t ử n ước; c ứ nh ư th ế các axit amin k ết n ối v ới nhau t ạo thành m ột chu ỗi g ồm nhi ều axit amin, g ọi là polypeptide (Hình 1.15). + − Mỗi chu ỗi polypeptide luôn luôn có chi ều xác đị nh H3N → COO (do tác d ụng c ủa peptydyl- transferase ) và được đặ c tr ưng v ề s ố l ượng, thành ph ần và ch ủ y ếu là trình t ự s ắp x ếp c ủa các axit amin. Có b ốn m ức độ c ấu trúc c ủa các protein (xem Hình 1.16). Cấu trúc protein b ậc I là trình t ự s ắp x ếp c ủa các axit amin trong m ột chu ỗi polypeptide. Đây là b ậc c ấu trúc c ơ s ở quan tr ọng nh ất c ủa t ất c ả các protein do gen quy đị nh. 15
6. Hình 1.14. Cấu t ạo c ủa 20 lo ại axit amin thu ộc các nhóm khác nhau. Hình 1.15. Sự hình thành liên k ết peptide gi ữa các axit amin. Hình 1.16. Bốn b ậc c ấu trúc c ủa protein. 16
7. Cấu trúc protein b ậc II xảy ra khi trình t ự các axit amin trong m ột chu ỗi polypeptide n ối v ới nhau b ằng các liên k ết hydro. C ấu trúc này có hai ki ểu c ơ b ản, đó là: chu ỗi xo ắn alpha (xo ắn trái) và tấm beta (g ấp n ếp). Cấu trúc protein b ậc III xảy ra khi các l ực h ấp d ẫn nào đó có m ặt gi ữa các vùng xo ắn alpha và các t ấm beta g ấp n ếp trong một chu ỗi polypeptide, hình thành nên m ột c ấu trúc cu ộn g ập có d ạng kh ối c ầu. M ột s ố protein ch ức n ăng có c ấu trúc ki ểu này, ví d ụ myoglobin Cấu trúc protein b ậc IV là m ột protein g ồm hai ho ặc nhi ều chu ỗi polypeptide cùng lo ại ho ặc khác lo ại k ết h ợp v ới nhau. Có khá nhi ều protein ch ức n ăng có ki ểu c ấu trúc này; m ột s ố nh ư hemoglobin còn có thêm ion kim lo ại nh ư Fe ++ trong túi hem c ủa nó. 2.2. Ch ức n ăng c ủa protein Nói chung, protein là các h ợp ch ất h ữu c ơ v ốn là c ơ s ở c ủa s ự s ống, v ới các ch ức n ăng thi ết yếu sau đây (Hình 1.17): Hình 1.17. Tổng quát v ề c ấu trúc và ch ức n ăng c ủa protein. (i) Các protein là thành ph ần c ấu t ạo cơ s ở c ủa các t ế bào, bao g ồm các màng t ế bào, các bào quan, b ộ máy di truy ền c ủa chúng. Đó c ũng là các protein d ạng m ạch làm thành các c ơ quan, b ộ ph ận trên c ơ th ể các độ ng v ật, nh ư: collagen làm nên x ươ ng, s ụn, gân và da; keratin c ấu t ạo nên các lớp ngoài cùng c ủa da và tóc, móng, s ừng và lông; (ii) Các enzyme đóng vai trò xúc tác cho t ất c ả các ph ản ứng hóa h ọc trong t ế bào và c ơ th ể đều là nh ững protein hình c ầu. Quan tr ọng nh ất là các enzyme tham gia vào các con đường chuy ển hóa và các enzyme tham gia vào các quá trình truy ền thông tin di truy ền trong t ế bào (Hình 1.18). 17
8. Hình 1.18. Lysozyme lòng tr ắng tr ứng gà. (a) Lysozyme t ự do. (b) Lysozyme có c ơ ch ất bám vào. (Ph ỏng theo Horton et al, 2006). (iii) Các kháng th ể (antibodies) trong h ệ th ống mi ễn d ịch, còn g ọi là các immunoglobulin, làm ra hàng ngàn protein khác nhau v ốn được sinh ra trong huy ết thanh máu ph ản ứng l ại v ới các kháng nguyên (antigens). Chúng đóng vai trò b ảo v ệ c ơ th ể ch ống l ại s ự xâm nh ập c ủa các v ật l ạ. (iv) Các hormone protein b ắt ngu ồn t ừ các tuy ến n ội ti ết thì không ho ạt độ ng nh ư các enzyme. Thay vì kích thích các c ơ quan đích, chúng ki ểm soát các ho ạt độ ng quan tr ọng, nh ư t ốc độ chuy ển hóa và s ản xu ất các enzyme tiêu hóa và s ữa ch ẳng h ạn. Insulin (t ừ tuy ến t ụy) điều hòa s ự chuy ển hóa carbohydrate b ằng cách ki ểm soát các m ức glucose trong máu. Thyroglobulin (t ừ tuy ến giáp) điều hòa các quá trình chuy ển hóa nói chung; calcitonin c ũng t ừ tuy ến giáp làm h ạ th ấp m ức calci máu. (v) Ngoài ra, các protein còn là ngu ồn dinh d ưỡng chính cung c ấp n ăng l ượng cho t ế bào và cơ th ể duy trì các ho ạt động trao đổ i ch ất và l ớn lên. Ví d ụ hemoglobin mang các sinh ch ất theo máu đi kh ắp c ơ th ể; các fibrinogen và fibrin được bi ến đổ i t ừ nó v ốn có trong máu c ần thi ết cho quá trình đông máu. Các protein c ơ mà ch ủ y ếu là myosin ph ối h ợp v ới actin t ạo thành actomyosin, ch ịu trách nhi ệm cho ho ạt độ ng co c ơ 3. Cấu trúc và ch ức n ăng c ủa các Polysaccharide 3.1. C ấu trúc c ủa các Polysaccharide Các polysaccharide và h ợp ch ất carbohydrate nói chung có hành ph ần hóa h ọc g ồm các nguyên t ố C, H và O, theo t ỷ l ệ thông th ường là 1:2:1 hay (CH 2O) n. Đơ n phân cấu t ạo nên chúng là các monosaccharide, ch ủ y ếu là glucose. Các monosaccharide n ối v ới nhau b ằng các liên k ết glycosid tạo thành các chu ỗi polysaccharide . (Hình 1.19 và 1.20) Hình 1.19. (a) Glucose và (b) cellulose. Cellulose là m ột polymer mạch th ẳng do các g ốc glucose nối v ới nhau b ằng các liên k ết glycosid. 18
9. Hình 1.20. Sự hình thành các disaccharide Lactose (a) và Sucrose (b) b ằng các liên k ết β1,4- và α1,2-glycosid. 3.2. Ch ức n ăng c ủa các Polysaccharide Các polysaccharide có hai ch ức n ăng quan tr ọng nh ất trong t ế bào, đó là tham gia vào c ấu t ạo và d ự tr ữ n ăng l ượng. V ề c ấu t ạo, cellulose tạo nên vách t ế bào th ực v ật và nó là h ợp ch ất h ữu c ơ có mặt ph ổ bi ến trong sinh quy ển. V ề n ăng l ượng, ngu ồn d ự tr ữ n ăng l ượng ở t ế bào động v ật là glycogen , trong khi đó ở các t ế bào th ực v ật là tinh b ột. 4. Cấu trúc và ch ức n ăng c ủa Lipid 4.1. C ấu trúc c ủa Lipid Đon v ị c ấu trúc c ơ s ở c ủa lipid là các axit béo. Mỗi axit béo bao g ồm m ột chu ỗi hydrocarbon đính vào nhóm carboxyl (–CÔOH); chúng khác nhau về chi ều dài của mạch, s ố carbon c ũng nh ư s ố lượng và vị trí của các liên k ết đôi carbon-carbon (C=C). Các axit béo ph ổ bi ến trong các t ế bào có số nguyên t ử carbon th ường là 14, 16, 18 ho ặc 20 (xem Bảng 1.5). Các axit béo th ường được vi ết tắt Cx:y, trong đó x là s ố l ượng carbon trong chu ỗi và y là s ố liên kết đôi. Chu ỗi hay m ạch hydrocarbon dài c ủa m ột axit béo có th ể không ch ứa liên k ết đôi thì g ọi là axit béo no hay bão hòa (saturated) ho ặc có m ột hay nhi ều liên k ết đôi thì g ọi là axit béo không no hay không bão hòa (unsaturated). Bảng 1.5. Một s ố axit béo chi ếm ưu th ế trong các phospholipid (Lược t ừ Lodish et al, 2008) Tên ph ổ bi ến c ủa các axit (D ạng ion hóa trong ngo ặc đơn) Vi ết t ắt Công th ức hóa h ọc Các axit béo bão hòa: Palmitic (palmitate) C16:0 CH 3(CH 2)14 COOH Stearic (stearate) C18:0 CH 3(CH 2)16COOH Các axit béo không bão hòa: Oleic (oleate) C18:1 CH 3(CH 2)7CH=CH(CH 2)7COOH Linoleic (linoleate) C18:2 CH 3(CH 2)4CH=CHCH 2CH=CH(CH 2)7COOH 19
10. Tất c ả các phosphoglyceride đề u là nh ững phân t ử l ưỡng c ực (amphipathic), có m ột cái đuôi kỵ n ước (th ường là hai chu ỗi axit béo) và m ột cái đầu ưa n ước (hydrophilic head; Hình 1.21a,b). Trong dung d ịch n ước, hi ệu qu ả ưa n ước và các ki ểu t ươ ng tác van der Waals đư a l ại s ự t ổ ch ức và ổn đị nh các phospholipid vào m ột trong ba c ấu trúc sau: micelle, liposome ho ặc là màng hai l ớp (Hình 1.21c). 4.2. Ch ức n ăng c ủa Lipid Lipid là thành ph ần c ấu t ạo quan tr ọng c ủa các màng sinh h ọc (biomembrane; Hình 1.21), ng ăn cách gi ữa các t ế bào v ới môi tr ường chung quanh, gi ữa các khoang trong tế bào sinh v ật nhân chu ẩn, đồ ng th ời nó là n ơi bám của một s ố protein. Cũng nh ư glucose, các axit béo là ngu ồn n ăng l ượng cho nhi ều t ế bào và được b ảo qu ản d ưới dạng triacylglycerol (xem Hình dưới) trong mô m ỡ. Ngoài ra, các axit béo còn là nh ững ch ất ti ền thân cho phospholipid và nhi ều lipid khác v ới m ột lo ạt ch ức n ăng khác nhau. Hình 1.21. Cấu trúc của phospholipid . (a) C ấu trúc c ủa phosphat-idylcholine, m ột phosphoglyceride điển hình, và (b) Mô hình c ấu t ạo c ủa glycerophospholipid. (c) T ổ ch ức c ủa các phospholipid trong c ấu trúc của một micelle, liposome và màng hai l ớp trong dung d ịch nước. 20
11. 5. Các liên k ết hóa h ọc c ơ b ản và vai trò c ủa chúng 5.1. Các liên k ết đồ ng hóa tr ị trong các đạ i phân t ử sinh h ọc Liên k ết hóa h ọc là l ực hút gi ữa các nguyên t ử hay các phân t ử v ới nhau. Có hai lo ại liên k ết cơ b ản v ới vai trò khác nhau, đó là: Các liên k ết c ộng hóa tr ị và các liên k ết hóa h ọc y ếu (Hình 1.22). 5.1.1. Các liên k ết c ộng hóa tr ị hay đồ ng hóa tr ị (covalent) Đó là các lực hóa h ọc m ạnh gi ữ ch ặt sự n ối k ết gi ữa các nguyên t ử trong m ột phân t ử ho ặc tạo ra các đại phân t ử có c ấu trúc b ền v ững. Ví d ụ, c ầu disulfur (–S–S–), liên k ết ester (xem Bảng 1.6). Ở đây, xin nh ắc l ại các liên k ết đồ ng hóa tr ị quan tr ọng trong vi ệc k ết nối các đơn phân để t ạo thành các c ấu trúc đa phân chính y ếu sau: + Các liên k ết N-glycosid và liên k ết ester nối k ết gi ữa C1' và C5'c ủa g ốc đường v ới baz ơ và nhóm phosphate tr ọ ra c ấu trúc các nucleotide. Các nucleotide n ối v ới nhau b ằng các liên k ết phosphodiester tạo thành các chu ỗi polynucleotide – cấu trúc b ậc I c ủa các phân t ử axit nucleic. + Các axit amin n ối v ới nhau b ằng các liên k ết peptid tạo thành các chu ỗi polypeptide – cấu trúc b ậc I c ủa các phân t ử protein. + Các monosaccharide k ết h ợp v ới nhau b ằng các liên k ết glycosid tạo thành các polysaccharide; ví d ụ các glucose n ối v ới nhau b ằng các liên k ết β1,4-glycosid để t ạo ra s ợi cellulose. Bảng 1.6. Một s ố nhóm ch ức n ăng và liên k ết đồ ng hóa tr ị c ơ b ản 5.1.2. Các liên k ết hóa h ọc y ếu Đó là các t ươ ng tác không ph ải đồ ng hóa tr ị (noncovalent interactions), có m ức n ăng l ượng th ấp th ường d ễ b ị phá v ỡ và ch ỉ t ồn t ại trong m ột th ời gan ng ắn. Các liên k ết này đóng vai trò r ất quan tr ọng trong các h ệ th ống s ống; chúng được hình thành do s ự t ươ ng tác gi ữa các thành ph ần của m ột phân t ử hay gi ữa các phân t ử v ới nhau. Có b ốn lo ại liên k ết hóa h ọc y ếu c ơ b ản (Hình 1.22 và 1.23), đó là: (i) Liên k ết hydro là l ực hóa h ọc y ếu được hình thành do s ự t ươ ng tác gi ữa nguyên t ử hydro (H) v ới nguyên t ử oxy (O) ho ặc nguyên t ử nit ơ (N) c ủa các phân t ử khác nhau. Trong các h ệ th ống sống, chính sự có m ặt c ủa các nhóm amin (–NH 2) và hydroxyl (–OH) trong thành ph ần c ủa các axit 21
12. nucleic, protein và carbonhydrate cho phép hình thành các liên k ết hydro nội trong các đại phân t ử này c ũng nh ư sự tươ ng tác gi ữa chúng trong môi tr ường c ơ b ản của s ự s ống là n ước. Nh ư đã bi ết, các liên k ết hydro trong các c ặp G-C và A-T ho ặc A-U không ch ỉ giúp ổn đị nh cấu trúc các phân t ử ADN và ARN mà còn cho phép chúng th ực hi ện các ch ức n ăng di truy ền đặ c thù nh ư tái b ản, phiên mã và d ịch mã. Trong protein, các liên k ết hydro có vai trò đặc bi ệt trong vi ệc hình thành c ấu trúc b ậc II nh ư xo ắn α hay phi ến β, c ấu trúc b ậc III và t ừ đó quy đị nh c ấu hình đặc tr ưng c ủa t ừng protein (Hình 1.16). Hình 1.22. Năng l ượng tươ ng đối c ủa các liên k ết đồ ng hóa tr ị và các t ươ ng tác không ph ải đồng hóa tr ị. Các n ăng l ượng liên k ết được xác đị nh là n ăng l ượng c ần thi ết để phân h ủy m ột ki ểu liên k ết c ụ th ể. So v ới các t ươ ng tác không ph ải đồ ng hóa tr ị thì các liên k ết đồ ng hóa tr ị có l ực m ạnh g ấp 100 đến 1.000 lần. Năng l ượng của các t ươ ng tác không ph ải đồ ng hóa tr ị lớn hơn nhi ệt n ăng c ủa nhi ệt độ phòng (25 oC) một chút. Nhi ểu quá trình sinh h ọc kèm theo s ự gi ải phóng n ăng l ượng khi th ủy phân m ột liên k ết phosphoanhydride trong ATP (Theo Lodish et al, 2006). (ii) Liên k ết ion là l ực t ươ ng tác t ĩnh điện gi ữa hai nguyên t ử hay hai nhóm có điện tích khác dấu (nhóm tích điện âm g ọi là cation và nhóm tích điện d ươ ng g ọi là anion ). Bởi vì điện t ử liên k ết không phân chia đồng đề u cho hai phía nên liên k ết này không được x ếp vào nhóm các liên k ết đồng hóa tr ị. Trong h ệ th ống s ống, đáng k ể nh ất đó là m ối liên k ết ion gi ữa các histone v ới ADN trong nhân hay các protein và enzyme th ực hi ện các quá trình tái b ản, phiên mã, điều hòa ho ạt độ ng của các gen c ũng nh ư c ủa c ả b ộ gen, V ề th ực ch ất, đó là s ự t ươ ng tác gi ữa c ấu hình không gian đặc tr ưng c ủa các protein v ới các đoạn trình t ự đặ c thù trên ADN. Hình 1.23. Tính ch ất b ổ sung phân t ử và vi ệc bám dính c ủa các protein nh ờ các t ươ ng tác không 22