Vietnamen’s Weblog

Time, Chances, Diligence, Intelligence: which is the most important?

Di truyền phân tử 1 – DNA & protein are key molecules in cell nucleus

with 4 comments

Trong phần di truyền cơ bản, ta đã nói về các thuật ngữ genes, chromosome … ở mức độ ý niệm. Trong phần di truyền phân tử, ta sẽ tìm hiểu cấu trúc hóa học thực và bản chất của các khái niệm đó.

Friedrich Miescher là nhà vật lí Thụy Sĩ đã tìm hiểu về thành phần hóa học của tế bào. Năm 1869, ông đã bắt đầu tìm hiểu tế bào máu trắng (white blood cells). Tế bào máu trắng là thành phần chính tạo thành mủ (pus) ở các vết thương. Ông đã thu thập các mủ dính tại các băng dán y tế bằng cách ngâm vào dung dịch muối (salt solution). Sau đó, cho dung dịch kiềm yếu (weak alkaline solution) vào, các tế bào sẽ được dung giải (lyse) và các nhân tế bào (cell nuclei) sẽ kết tủa (precipitate) tách ra khỏi dung dịch.

Từ nhân tế bào (nuclei), ông đã phân tách ra được một thành phần hóa học duy nhất, ông gọi là nuclein (nghĩa là nằm trong nhân). Và nuclein tồn tại ở trong mọi tế bào mà ông đã thử nghiệm.

NOTE: Sau này, người ta mới biết rằng nuclein chính thực ra là chromosomes.

Về mặt hóa học, nuclein có chứa rất nhiều phospho, và Miescher nghĩ rằng nuclein đóng vai trò là nơi lưu trữ các phân tử phospho (phosphorous atom) cho tế bào. Lúc đó, Miescher vẫn chưa nghĩ hay tìm ra được chức năng sinh học nào khác của nuclein. Việc này phải nhờ đến Phoebus Levene. Đầu thập niên 1900, Levene cho biết nuclein mà Miescher đề cập chính là hỗn hợp giữa proteins nucleic acids (cụ thể là ADN).

NOTE: Có 2 loại nucleic acids: DNA và RNA.

  • DNA tìm thấy chủ yếu trong nhân tế bào
  • RNA tìm thấy chủ yếu trong tế bào chất (cytoplasm)

Một số thông tin về proteins:

  • được tạo thành ban đầu bởi từ 20 đơn vị nhỏ gọi là amino acids (monomers). Chú ý là các amino acids này có thể bị biến đổi (ví dụ: acetylation – là việc thêm acetyl group vào amino group ở một đầu cuối N-terminal residue) trong chu trình sống của protein.
  • các phân tử amino acids này sẽ liên kết với nhau để tạo thành chuỗi proteins (polymer) với hình dáng và kích thước khác nhau – gọi là polypeptide.

Ví dụ: chỉ với chuỗi gồm 4 amino acids thuộc từ 20 loại amino acids đó, ta có thể tạo ra 20^4 = 160000 sự kết hợp. Do đó, có thể nói rằng proteins có đủ mọi kích cỡ và hình dáng khác nhau.

Một số thông tin về DNA (do Leuvene nghiên cứu):

Nếu với proteins được tạo thành tử 20 đơn vị khác nhau thì phân tử DNA chỉ có 4 đơn vị tạo thành, gọi là nucleotides.

Mỗi phân tử nucleotide được tạo thành từ 3 thành phần:bazơ có nhóm phosphate (mono-phosphate, pyrophosphate hoặc tri-phosphate), đường deoxyribose (đối với DNA) hoặc đường ribose (đối với RNA), và bazơ có chứa nitrogen (nitrogenous base).

Vì trong nitrogenous base cũng có nguyên tố Carbon và được đánh số 1,2… nên nguyên tố Carbon trong phân tử đường được đánh số từ 1-5 kèm theo kí hiệu primer (‘). Theo hình vẽ, nitrogenous base luôn gắn vào C-1’, (với RNA, C-2′ sẽ gắn với -OH, thay vì  proton -H như trong DNA), nhóm hydroxil -OH (hydroxil group) thì gắn vào C-3′ (nơi sẽ diễn ra liên kết phosphodiester với nucleotide khác để tạo ra chuỗi polymer), và gốc phosphate thì gắn vào C-5′.

Như vậy, sự khác nhau giữa 4 nucleotides là ở nitrogenous base, được phân làm 2 loại: purine (Guanine, Adenine) pyrimidine (Cystosine, Thymine).

Để tạo thành DNA, Leuvene phát hiện rằng các phân tử nucleotides liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester (phosphodiester bond): 1 nhóm phosphate liên kết với hai phân tử đường: sugar thứ nhất là cùng nằm trên một phân tử nucleotide chứa bản thân gốc phosphate đó (gốc phosphate liên kết với C5′ của sugar) và sugar thứ hai thuộc một nucleotide khác (gốc phosphate liên kết với C3′ của sugar). Và ta lấy C5′ của sugar thuộc nucleotide có chứa gốc phosphate làm đầu (head) – tức là nơi sẽ không tiếp tục nhận thêm residue, còn C3′ của sugar còn lại làm đuôi (tail) – nơi có thể nối thêm residue. Như vậy, hướng liên kết trên chuỗi DNA là từ C5′ tới C3′ hay 5′ (5 prime) đến 3′ (3 prime).

DNA vs. Protein:

Ở các phần trước, ta đã biết nguyên liệu di truyền chứa trong nhân và cụ thể là nuclein (chromosomes). Câu hỏi đặt ra là: nguyên liệu di truyền là proteins hay DNA? Tại thời điểm này, mọi quan điểm đều cho rằng protein mang nguyên liệu di truyền. Lí do là vì khi so sánh protein và DNA, họ thấy rằng protein phức tạp hơn và các nhà khoa học cho rằng muốn lưu giữ nguyên liệu di truyền thì phải là rất phức tạp (Quan điểm này thực ra không đúng – sẽ được đề cập rõ ở các phần sau vì thực ra DNA mới mang nguyên liệu di truyền và protein là sản phẩm của nguyên liệu di truyền, đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện mọi chức năng của tế bào).

Levene nghiên cứu thành phần hóa học của DNA và thấy DNA được tạo thành từ 4 đơn vị, ít hơn nhiều so với số đơn vị của proteins, Leuvene đã đưa ra một lí thuyết gọi là “tetranucleotide theory” (sau này đã được chứng thực là không đúng). Ông cho rằng, số lượng của từng loại nucleotides trong một phân tử DNA là như nhau. Theo đó, ông quan điểm là mỗi phân tử DNA được tạo thành bởi các khối, mỗi khối chứa 4 nucleotides, gọi là “tetranucleotide block“. Trong mỗi khối, các nucleotide được sắp xếp với trật tự cố định như nhau, và mỗi nucleodie chỉ xuất hiện 1 lần. Như vậy trong phân tử ADN, theo lý thuyết này, ta luôn có A=T=G=C. Quan điểm này đã được chấp nhận rộng rãi trong thập kỉ 1920 và 1930.

Với quan điểm như thế, đến năm 1938, Leuvene cho rằng DNA không đủ “thông minh” để chứa/mã hóa các thông tin di truyền. Vì thế, ông cho rằng chính proteins mới là nguyên liệu di truyền cấp phân tử.

NHẬN XÉT:

Chính vì giả thiết về số lượng mỗi loại nucleotide là như nhau và tetranucleotide theory mà Leuvene đưa ra, ông đã tự giới hạn khả năng đa dạng của DNA. Nếu giả thuyết này được nới lỏng, ta sẽ thấy khả năng đa dạng của DNA:

  • Giả sử trong mỗi khối, các nucleotide được sắp xếp với trật tự ngẫu nhiên, trong đó mỗi nucleodie chỉ xuất hiện 1 lần. Như vậy, có tối đa 24 khối. Nếu mỗi khối này là 1 chữ cái (“letter”), và “word” là được tạo thành từ 4 “letters” như trên thì có tất cả 24^4 = 331,776 “words”.
  • Nếu mỗi khối cũng gồm 4 nucleotides, nhưng chúng có thể xuất hiện nhiều hơn 1 lần, thì ta có tối đa 4^4 = 256 khối. Một số lượng rất lớn các words có thể tạo ra.

Vậy có thể nói rằng DNA thực ra không đơn giản như Leuvene nghĩ.

PHỤ LỤC:

Nhà sinh hóa Erwin Chargaff đã chứng tỏ được rằng, dù các cá thể khác nhau có lượng DNA khác nhau, nhưng số lượng Adenine luôn bằng với Thymine (ví dụ: DNA người có khoảng 30% mỗi loại). Và tương tự số lượng Cystosine luôn bằng với Guanine (ví dụ: DNA người có khoảng 20% mỗi loại), xem bảng dưới

Điều này có nghĩa là quan điểm của Leuvene về ‘tetranucleotide block’ là không đúng. Từ đó, ta có tỉ lệ các base của Chargaff (Chargaff’s base ratio): A = T, G = C.

TERMS:

  • base: để ám chỉ một gốc có tính kiềm (1 phân tử nucleotide của DNA gồm 3 phần: molecule of sugar, a molecule of phosphoric acid, and a molecule called base). Trong DNA thì gốc này có chứa nitrogen nên còn gọi là “nitrogenous base”. Base là “letter” quyết định mã di truyền (genetic code), và có 4 “letter” như vậy A, T, G, C (đối với RNA thì T thay bằng U (Uracil))
  • base pair: để ám chỉ 2 bases luôn đi cặp với nhau trong phân tử ADN chuỗi xoắn kép. Trong base pairing, thì A – T và G – C. Đôi lúc ta vẫn có gặp nonstandard base pair như G-U.
  • DNA: deoxyribonucleic acid: là thành phần hóa học bên trong nhân tế bào (cell nucleus) mà chứa đựng/mang các mã lệnh di truyền để tạo ra cơ thể sống.
  • nucleotide: là khối xây dựng cơ bản (building block) cho phân tử DNA hay RNA.
  • residue: một nucleotide khi là một thành phần liên kết bên trong một chuỗi nucleic acid dài thì người ta gọi nó là một residue.
  • genome: bộ gene, ám chỉ đến mọi phân tử DNA chứa trong tế bào, nghĩa là bao gồm mọi chromosomes bên trong nhân và DNA trong ty lạp thể (mytochondrion (snh: mytochondria)
  • mytochondrion: ty lạp thể (là nới chứa ATP và các enzyme liên quan đến hoạt động chuyển hóa của tế bào)

SUMMARY:

Protein và DNA đều đóng vai trò quan trọng trong nhân tế bào. Tuy nhiên, DNA mới là nguyên liệu di truyền (sẽ được chứng thực trong phần 3). Chromosome thực chất là chuỗi DNA được “đóng gói” lại. Có 4 loại nucleotides (A, T, G, C) tạo thành phân tử DNA. Các nucleotides liên kết theo phosphodiester bond. Các phân tử nucleotides liên kết theo hướng 5′-3′ (với 5′ là đầu (head), 3′ là đuôi (tail)). Có 20 loại amino acids tạo thành protein trong cơ thể sống (số lượng amino acids trong tự nhiên có thể nhiều hơn). Protein là sản phẩm của thông tin di truyền, cụ thể là genes trong DNA (sẽ được chứng thực trong phần 2). Quan điểm mỗi loại nucleotides trong phân tử DNA được phân bố đều (A=T=G=C) là sai; thực nghiệm của Erwin Chargaff đã cho thấy chỉ có A=T, và G=C.

BỔ SUNG:

DNA structures

Proteins structures

Revision:

1.1. Chỉnh sửa và bổ sung theo đóng góp của Hoài Thu

Written by vietnamen

Tháng Năm 20, 2008 lúc 2:05 chiều

4 phản hồi

Subscribe to comments with RSS.

  1. Anh gọi nitrogenous base là gốc nitrogen, vậy xin hỏi anh phân biệt base này với radical như thế nào? Radical sẽ được gọi là gì?

    Hoài Thu

    Tháng Bảy 24, 2008 at 10:33 sáng

  2. Thanks bạn HT nhé. Đúng ra “radical” thì gọi là gốc, còn “base” là bazơ. Mình có sai sót trong khâu dịch từ ngữ đã không nói rõ đến bản chất kiềm của nhóm nitrogen. Tuy nhiên do nó là một component trong nucleotide, nên mình gọi là gốc luôn. Mong bạn sẽ góp ý nhiều hơn.

    vietnamen

    Tháng Bảy 29, 2008 at 1:51 sáng

  3. […] Gene mã hóa cho một protein. Đơn vị cấu trúc của protein là nucleic acid (ta sẽ tìm hiểu sau). Ta biết là có 20 loại nucleic acids đóng vai trò cấu thành một protein (CHÚ Ý: […]

  4. […] | Tags: biochemical pathway, enzyme, Gene, gene expression, metabolical pathway, protein Trong phần trước, ta đã bàn về một số quan điểm và lý thuyết sơ khởi về vai trò của DNA […]


Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: