Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 2: Các đại phân tử sinh học Acid nucleic và Protein

CHƯƠNG 2: 
CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC 
Acid nucleic và Protein 
5’ 3’
5’3’
Function
Dòng thông tin di truyền trong tế bào 
Acid nucleic mang thông tin di truyền 
•  Thông tin di truyền được mã hóa bởi các phân tử 
DNA và RNA. 
•  DNA là vật chất di truyền của vi khuẩn 
•  DNA là vật chất di truyền của virus, một số loại virus 
có bản chất RNA thì thông tin di truyền được mã hóa 
bởi các phân tử RNA. 
Acid nucleic mang thông tin di truyền 
•  Thí nghiệm chứng minh acid nucleic mang 
thông tin di truyền 
–  1928, Griffith – thí nghiệm biến nạp 
–  1944, Avery et al. – tác nhân biến nạp là DNA 
–  1952, Hershey –Chase – thí nghiệm thực 
khuẩn thể xâm nhiễm E.coli 
•  Từ 3 thí nghiệm trên chứng minh acid 
nucleic là vật chất mang thông tin di 
truyền 
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 
Hai loại nucleic acid DNA và RNA 
•  DNA: 
DeoxyRiboNucleic 
Acid 
•  RNA: 
•  RiboNucleic Acid 
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: PO43- 
•  Đường (deoxyribose): C5H10O4 
•  Bazơ nitơ (nitrogenous bases): 
 A (Adenine) T(Thymine), 
 G (Guamine) C (Cytosine) 
I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA DNA 
•  Nhóm phosphat và 
phân tử đường hình 
thành nên “bộ 
khung” (backbone) 
của phân tử DNA, 
base ni tơ liên kết 
với phân tử đường 
tạo nhánh phía ngoài 
của chuỗi DNA. 
Cấu trúc phân tử DNA 
Base
P
5’
3’Base
P
5’
3’Base
P
5’
3’
OH 3’
5’
Base
P
5’
3’ Base
P
5’
3’ Base
P
5’
3’
OH3’
5’
Sợi kép (Double strand DNA) 
Thành phần đường của RNA và DNA 
•  Thành phần đường của RNA là ribose 
•  Thành phần đường của DNA là 
deoxyribose 
Bazo Nito – Purine 
•  Purine gồm 
–  Adenin (A) 
–  Guanine (G) 
Pyrimidine 
Pyrimidine 
–  Uracil (U) 
–  Thymine (T) 
–  Cytosine (C) 
Dạng biểu diễn của nucleotide (RNA & DNA) 
Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution 
CẤU TẠO HÓA HỌC CỦA DNA 
Nucleoside: Là liên kết giữa một base nito và một phân tử 
đường 
Nucleotide : Là liên kết giữa một nucleoside và một nhóm 
phosphat 
Các nucleotid thường được gọi theo tên của các base nito và 
viết tắt là A, G, C, T, U, đôi khi viết tắt bằng ade, gua 
Chữ N được sử dụng làm đại diện cho tất cả các base nito 
nucleotide 
•  Nucleoside = base + sugar 
•  Nucleotide = base + sugar + phosphate 
16 
Nucleoside 
O
Base
H
H
H
H
O
CH2
H
O
PO
O
O-
17 
O
Base
H
H
H
H
O
CH2
H
O
PO
O
O-
Phosphate group 
of next nucleotide
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 
Tại sao 1 purine lại liên kết với 1 pyrimidine? 
CÁC LOẠI LIÊN KẾT CỦA DNA 
•  Loại liên kết nào nối các nucleotid với 
nhau? 
Liên kết giữa các 
nucleotide 
Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution 
•  Liên kết giữa P ở đầu 
5’ và O ở đầu 3. 
•  Đọc trình tự của base 
từ 5’ đến 3’’ 
•  Liên kết giữa các nucleotid trong sợi DNA là 
liên kết giữa 5’-P và O-3’ làm cho sợi DNA có 
một gốc Phosphat tự do ở đầu 5’ và một gốc 
hydroxyl ở đầu 3’ là nguyên nhân dẫn đến việc 
phân cực của DNA. 
Điện tích của DNA? Nguyên nhân dẫn 
đến việc tích điện của DNA? 
A liên kết T 
bằng 2H. 
G liên kết C 
bằng 
Liên kết Hydro giữa các base 
Quy tắc Chargaff 
•  Chargaff’s rule: Tổng số A+G = Tổng sốC+T. 
•  Cặp base chứa một purine và một pyrimidine. 
•  A-T; G-C. 
25 
Guanine Cytosine 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
DNA kép 
không xoắn 
DNA xoắn 
kép mạch 
vòng DNA mạch 
đơn, thẳng 
DNA mạch 
đơn, vòng 
II. CẤU TRÚC CỦA DNA 
Dạng thẳng Dạng xoắn kép 
Hai sợi DNA liên 
kết bổ sung với 
nhau hình thành 
nên cấu trúc xoắn 
kép – the Double 
Helix 
Liên kết bổ sung giữa 2 mạch đơn 
Cấu trúc hóa học của DNA 
•  DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 sợi polynucleotid 
kết hợp với nhau theo nguyên tắc bổ sung 
(complementation) 
–  A=T 
–  G=C 
•  Trong phân tử DNA sợi kép, các base nito trên mỗi 
mạch hướng vào phía trung tâm chuỗi xoắn kép và 
bắt cặp với các base của sợi kia bằng các liên kết 
hydro. Hai mạch DNA gọi là hai mạch đối song song 
•  Mỗi cặp liên kết gồm 1 base nito lớn là purin liên kết 
với base nhỏ hơn là pyrimydine nên tất cả các cặp 
base ghép đôi có cùng chiều rộng. 
CÁC DẠNG CẤU TRÚC CHUỖI 
XOẮN KÉP DNA 
•  Chuỗi DNA được tồn 
tại dưới 3 dạng chủ yếu 
tương đối khác nhau A, 
B, Z 
•  Dạng B là dạng phổ 
biến nhất trong tế bào – 
được mô tả bởi Watson 
và Crick 
–  Rộng 2nm 
–  Dài 3,4nm/10Nu 
–  Xoắn 3600 cho mỗi 10,6 
Nu / Bước xoắn 10,6 Nu 
•  Chuỗi xoắn kép được làm bền bởi các liên kết hydro 
và các vòng thơm của bazo nito chồng lên nhau ở 
tâm của chuỗi double helix. 
•  Các dạng xoắn được chia làm xoắn phải hoặc xoắn 
trái 
•  Chuỗi xoắn phải là các sợi xoắn cùng chiều kim đồng 
hồ so với trục xoắn. 
•  Dạng B là dạng xoắn phải 
DNA dạng A và Z 
•  DNA dạng A và Z khác so với dạng B ở hình dạng và kích 
thước. Dạng A thường xuất hiện trong các DNA mất nước 
(dùng trong các thí nghiệm tinh thể hóa) hay ở dạng lai 
DNA – RNA 
•  Dạng Z thường là DNA được mythyl hóa 
Mô hình các dạng DNA 
Dạng A Dạng B Dạng Z 
MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CÁC DẠNG DNA 
Dạng hình học Dạng A Dạng B Dạng Z 
Chiều xoắn phải phải trái 
Đơn vị lặp lại 1 bp 1 bp 2 bp 
Góc quay/bp 33,6° 35,9° 60°/2 
Số bp trung 
bình/vòng xoay 10,7 10,0 12 
Độ nghiêng 
của bp so với 
trục 
+19° -1.2° -9° 
Độ dài dốc/bp 
dọc theo trục 0,23 nm 0.332 nm 0,38 nm 
Bước/vòng 
xoay 2,46 nm 3,32 nm 4,56 nm 
Mean propeller 
twist +18° +16° 0° 
Đường kính 2,6 nm 2,0 nm 1,8 nm 
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 
III. TÍNH CHẤT CỦA DNA 
1. Biến tính và hồi tính bởi nhiệt độ 
–  Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ 
các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA từ từ, 
khoảng 80- 950 C, các liên kết hydro giữa 2 mạch 
bị đứt và chúng tách rời nhau. Trước tiên các mối 
liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -
C bị đứt. 
–  Nhiệt độ mà ở đó 2 sợi DNA tách rời nhau (50% 
số liên kết hydro bị phá hủy) gọi là nhiệt độ nóng 
chảy (Tm). Tm đặc trưng cho từng loại DNA của 
các sinh vật khác nhau 
–  Đoạn DNA có nhiều liên kết GC có Tm cao hơn 
III. TÍNH CHẤT CỦA DNA 
–  Khi hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các 
nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo nên 
DNA mạch kép, hiện tượng này gọi là hồi 
tính. 
•  Có thể biến tính DNA bằng các tác nhân 
kiềm hoặc formamide ở 400C. 
•  Có thể nhận biết DNA biến tính dựa vào 
sự gia tăng độ hấp thụ đối với tia cực 
tím. 
DNA biến tính và hồi tính 
39 
High heat 
(melting) 
Cooling to 20–25 ˚C 
below Tm 
(renaturation) 
Rapid cooling to temperature 
much lower than Tm 
(improper base pairing) 
Rewarming to 
20–25 ˚C 
below Tm 
(renaturation) 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
 - 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. 
- DNA mang điện tích âm + protein histon mang điện tích 
dương à NST trung hòa về điện. 
III. TÍNH CHẤT CỦA DNA 
Hấp thụ ánh sáng 
ü Phân tử DNA hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước 
sóng 260 nm. 
ü Dựa trên cơ sở này có thể định lượng và đánh 
giá độ sạch của DNA thông qua việc đánh giá 
tỉ lệ OD260/OD280 
•  Native state 
•  Denatured state 
•  Abs = 260 nm 
•  Tm = melting 
temperature 
Khả năng hấp thụ ánh sáng của DNA 
TÍNH CHẤT CỦA DNA 
2. Lai acid nucleic 
–  Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể 
tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA, 
RNA với RNA. 
–  Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành 
mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính 
thành mạch đơn. Dung dịch được hạ nhiệt độ từ 
từ để xảy ra hồi tính. Đây là kiểu lai lỏng hay lai 
trong dung dịch. 
o  Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai 
trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất 
o  Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA 
o  Phương pháp Northern blot dùng cho RNA 
o  Các dạng microarray 
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: PO43- 
•  Đường (ribose): C5H10O5 
•  Bazơ nitơ (nitrogenous bases): 
 A (Adenine) U(Uracine) thay vì T ở DNA 
 G (Guamine) C (Cytosine) 
Có 3 loại RNA chính là: mRNA (RNA thông tin) 
 tRNA (RNA vận chuyển) 
 rRNA (RNA Ribosome) 
RNA (Ribonucleic Acid) 
•  Phân tử RNA có cấu trúc tương tự DNA 
với 3 điểm khác biệt 
–  Phân tử RNA thường là chuỗi mạch đơn 
–  Pentose của RNA là ribose 
–  Thymin được thay thế bằng Uracil 
Cấu trúc hóa học RiboNucleotide Cấu trúc không gian của RNA 
Liên kết 
photphodieste 
Các loại RNA 
•  mRNA 
•  tRNA 
•  rRNA 
•  sn RNA hay U-RNA (small nucleic RNA) 
•  miRNA (microRNA) 
•  siRNA (small interfering RNA) 
•  piRNA (Piwi-interacting RNA) 
mRNA 
•  Là bản sao của những trình tự nhất định 
trên phân tử DNA 
•  Đóng vai trò trung gian chuyển thông tin 
mã hóa trên DNA đến ribosom để dịch 
mã thành protein 
•  Có cấu trúc đa dạng, kích thước nhỏ so 
với DNA vì chỉ chứa thông tin mã hóa 
cho một hoặc vài protein 
•  Chiếm 2-5% tổng số RNA của tế bào 
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 
•  Là các RNA vận chuyển các amino acid 
cần thiết đến bộ máy dịch mã từ các 
mRNA tương ứng 
•  Có cấu trúc “cỏ ba lá” được ổn định nhờ 
các liên kết bổ sung 
•  Có 2 vị trí không có liên kết bổ sung thực 
hiện chức năng của tRNA 
–  Trình tự anticodon gồm 3 nucleotid bổ sung 
với trình tự codon trên mRNA 
–  Trình tự CAA có khả năng liên kết cộng hóa 
trị với một amino acid đặc trưng 
tRNA 
rRNA 
•  Chiếm 80% RNA của tế bào 
•  rRNA kết hợp với các 
protein chuyên biệt tạo 
thành ribosome 
•  Tùy theo hệ số lắng rRNA 
chia làm nhiều loại 
–  Eukaryote: 28S, 18S, 5,8S, 
5S 
–  Prokaryote: 23S, 16S, 5S 
Ribosome của mọi tế bào đều gồm một tiểu đơn vị 
nhỏ và một tiểu đơn vị lớn. Mỗi tiểu đơn vị mang 
nhiều protein và rRNA có kích thước khác nhau. 
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. 
Các loại RNA 
Các loại RNA 
Các loại RNA 
Protein Structure 
Proteins là những chuỗi amino acid. 
Có 20 loại amino acid 
Cấu trúc một amino acid 
Mỗi loại amino acid khác 
nhau ở nhóm chức R 
60 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Phân loại và cách đặt tên 
20 amino acids khác nhau tính chất hoá học ở 
nhóm chức R 
•  Hydrophobic amino acids có nhóm chức R không 
phân cực. 
•  Hydrophilic amino acids có nhóm chức R phân cực. 
Không phân 
cực R 
Phân cực nhóm chức R 
Không tích điện Tích điện 
63 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
D, E, R, K, H N, Q, C, T, S 
G, A, V, P, L, 
I, M, and F 
64 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Glycine (Gly, G) Alanine (Ala, A) Valine (Val, V) 
Phenyl alanine (Phe, F) 
Tryptophan (Trp, W) 
Leucine (Leu, L) Isoleucine (Ile, I) 
Methionine (Met, M) Proline (pro, P) 
Hydrophobic amino acids 
65 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Amino acids phân cực 
Serine (Ser, S) Threonine (Thr, T) Tyrosine (Tyr, Y) 
Cysteine (Cys, C) Asparagine (Asn, N) Glutamine (Gln, Q) 
Histidine (His, H) 
66 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Amino acids tích điện 
Aspartate (Asp, D) Glutamate (Glu, E) 
Lysine (Lys, K) Arginine (Arg, R) 
Amino Acid không thay thế 
Amino Acid không thay thế 
Amino acids liên kết cộng hoá trị 
69 
H2O 
Peptide bond 
+ 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Chuỗi polypeptide tạo bởi các amino acids 
liên kết với nhau bằng lk peptide 
70 
Residue 1 Residue 2 Residue 3 Residue 4 
C-terminus N-terminus 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
4 Cấu trúc protein 
© 2014 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. 
β α 
Cấu trúc bậc 2 Cấu trúc bậc 
3 
Cấu trúc bậc 1 
N N 
Cα 
C 
N 
Cα 
C Cα 
C 
O 
O 
O 
R1 
R2 
R3 
73 
Partial double bond 
Cấu trúc bậc 1: chuỗi polypeptide 
Cấu trúc bậc 2 
•  α helix là một cấu trúc xoắn trong 
đó các liên kết polypeptide xoắc 
chặt chẽ quanh một trục tưởng 
tượng. 
•  Nhóm chức R của các amino 
acid quay ra ngoài. 
•  α helix và β sheet phổ biến, 
•  Liên kết 
•  H trong một α helix tạo bởi giữa carbonyl 
oxygen và nhóm amino hydrogen. 
Liên kết trong một β Sheet 
75 
Đối xứngl Không đối xứng 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
Các dạng cấu trúc bậc 2 của protein 
α/β 
protein 
α-helical 
protein 
β-protein 
Protein with 
very little 2° 
structure 
© 2014 John Wiley & 
Sons, Inc. All rights 
reserved. 
Cấu trúc bậc 3 và 4: Chuỗi cuộn xoắn 
polypeptide gồm một bề mặt ưa nước và 
một lõi kỵ nước. 
77 
(a) (b) 
 Essential Biochemistry 3rd Ed John Wiley & Sons, Inc.	
  
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 
79 
•  Những proteins chứa nhiều hơn 
một chuỗi polypeptide thì có cấu 
trúc bậc 4. 
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 
C chain 
B chain 
A chain 
Insulin consists of two chains: A and B 
The C chain is removed from proinsulin to form insulin 
Proinsulin 
ENZYME 
•  Xúc tác cho các phản ứng sinh học 
•  Có bản chất là protein 
•  Năng lượng hoạt hoá thấp 
•  Tăng tốc độ phản ứng 
•  Mất hoạt tính khi bị biến tính 
•  Có chứa nhóm co-factors: kim loại hoặc 
hữa cơ (vitamins) 
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 đư-ợc 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 
LIPID 
POLYSACCHARIDE