Cơ-sở-di-truyền-học-phan-tử-va-tế-bao-Đinh-Đoan-Long-pdf

Lêi nãi ®Çu MÆc dï di truyÒn häc ®· ®−îc con ng−êi øng dông trong c«ng t¸c chän, t¹o gièng vËt nu«i vµ c©y trång tõ hµng ngh×n n¨m tr−íc, nh−ng chØ trong vßng 50 n¨m qua, nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n cña di truyÒn häc ë cÊp ®é ph©n tö vµ d−íi tÕ bµo míi dÇn ®−îc lµm s¸ng tá. Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ c¸c c¬ chÕ di truyÒn tõ gen ®Õn hÖ gen ngµy cµng trë nªn s©u vµ réng h¬n. §Æc biÖt, kÓ tõ n¨m 2000, khi dù ¸n gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi hoµn thµnh b¶n th¶o ®Çu tiªn, ®· cã nhiÒu ®æi míi vÒ c¸ch “t− duy” trong c¸c nghiªn cøu di truyÒn häc. Cïng víi c«ng nghÖ th«ng tin, di truyÒn häc ph©n tö ®−îc dù ®o¸n lµ mét trong hai chuyªn ngµnh khoa häc cã ¶nh h−ëng lín nhÊt ®Õn ®êi sèng x· héi trong giai ®o¹n hiÖn nay vµ s¾p tíi. C¶ hai chuyªn ngµnh khoa häc nµy ®Òu liªn quan ®Õn viÖc khai th¸c, ph©n tÝch vµ xö lý mét l−îng lín d÷ liÖu ®−îc m· hãa ë c¸c d¹ng ng«n ng÷ rÊt linh ho¹t vµ hiÖu qu¶. NÕu ng«n ng÷ cña c«ng nghÖ th«ng tin do con ng−êi s¸ng t¹o, th× ng«n ng÷ vµ c¸c th«ng tin di truyÒn ®−îc l−u gi÷ trong c¸c hÖ gen sinh vËt ngµy nay lµ kÕt qu¶ cña sù sèng ®· h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn qua nhiÒu triÖu n¨m tiÕn hãa. Víi c¸ch ®æi míi “t− duy” nh− vËy, gi¸o tr×nh nµy ®−îc biªn so¹n nh»m cung cÊp cho sinh viªn c¸c ngµnh sinh häc, c«ng nghÖ sinh häc vµ s− ph¹m sinh häc c¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña di truyÒn häc ë cÊp ®é ph©n tö vµ tÕ bµo phôc vô cho c¸c c«ng viÖc häc tËp vµ nghiªn cøu. Gi¸o tr×nh ®−îc chia lµm 11 ch−¬ng víi c¸c néi dung sau: Ch−¬ng I. Liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Ch−¬ng II. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc (ADN, ARN vµ protein) Ch−¬ng III. Sao chÐp axit nucleic Ch−¬ng IV. Phiªn m· vµ dÞch m· di truyÒn Ch−¬ng V. Gen vµ sù ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen Ch−¬ng VI. §ét biÕn vµ söa ch÷a ADN Ch−¬ng VII. C¬ së di truyÒn häc nhiÔm s¾c thÓ Ch−¬ng VIII. Chu tr×nh tÕ bµo vµ c¬ së di truyÒn häc ung th− Ch−¬ng IX. §iÒu hßa gen hÖ miÔn dÞch ë ®éng vËt cã x−¬ng sèng Ch−¬ng X. Di truyÒn häc ph©n tö vµ tiÕn hãa Ch−¬ng XI. Ph©n tÝch gen vµ s¶n phÈm cña gen Ngoµi viÖc sö dông lµm gi¸o tr×nh häc tËp cña sinh viªn c¸c ngµnh sinh häc, c«ng nghÖ sinh häc vµ s− ph¹m sinh häc, cuèn s¸ch nµy cã thÓ ®−îc dïng lµm tµi liÖu tham kh¶o cho sinh viªn, häc viªn cao häc vµ nghiªn cøu sinh cã liªn quan ®Õn sinh häc ë c¸c tr−êng §¹i häc Y, §¹i häc D−îc, §¹i häc N«ng nghiÖp, §¹i häc L©m nghiÖp ... còng nh− víi c¸c gi¸o viªn gi¶ng d¹y sinh häc ë c¸c tr−êng THPT, c¸c nhµ khoa häc ë c¸c viÖn nghiªn cøu chuyªn ngµnh hoÆc nh÷ng ai quan t©m ®Õn di truyÒn häc. Dï ®· cè g¾ng cËp nhËt nh÷ng th«ng tin míi thuéc lÜnh vùc Di truyÒn häc ph©n tö vµ tÕ bµo, nh−ng trong bèi c¶nh chuyªn ngµnh nµy ®ang ph¸t triÓn m¹nh mÏ vµ kh«ng ngõng ®æi míi, ngoµi ra trong lÇn xuÊt b¶n ®Çu tiªn, gi¸o tr×nh nµy ch¾c kh«ng thÓ tr¸nh khái thiÕu sãt. C¸c t¸c gi¶ tr©n träng ®ãn nhËn vµ c¶m ¬n c¸c ý kiÕn nhËn xÐt, gãp ý cña c¸c ®ång nghiÖp lµm c«ng t¸c gi¶ng d¹y sinh häc, c¸c nhµ khoa häc, c¸c sinh viªn, häc viªn cao häc, nghiªn cøu sinh vµ ®éc gi¶ gÇn xa ®Ó lÇn xuÊt b¶n sau cuèn s¸ch ®−îc hoµn chØnh h¬n. C¸c t¸c gi¶ i

Danh môc c¸c tõ vµ ch÷ viÕt t¾t Tõ viÕt t¾t NghÜa tiÕng ViÖt NghÜa tiÕng Anh Ψ / ΨU Pseudouridine Pseudouridine ∆G Møc chªnh lÖch n¨ng l−îng tù do Change in free energy 2-AP 2-aminopurine 2-aminopurine 2D-PAGE §iÖn di 2 chiÒu trªn gel polyacrylamide 2-D polyacrylamide gel electrophoresis 3’UTR Vïng ®Çu 3’ kh«ng ®−îc dÞch m· 3’-untranslated region 5’UTR Vïng ®Çu 5’ kh«ng ®−îc dÞch m· 5’-untranslated region 5-BU 5-bromouracine 5-bromouracine ADN Axit deoxyribonucleic Deoxyribonucleic acid ADN pol ADN polymerase / ADN polymeraza DNA polymerase ADP Adenosine diphosphate Adenosine diphosphate AIDS Héi chøng suy gi¶m miÔn dÞch m¾c ph¶i Acquired immunodeficiency syndrome AMP Adenosine monophosphate Adenosine monophosphate ARE Tr×nh tù ARN giµu AU AU-rich element (sequence) ARN Axit ribonucleic Ribonucleic acid ARN pol ARN polymerase / ARN polymeraza RNA polymerase ARNi ARN can thiÖp Interfering RNA ATP Adenosine triphosphate Adenosine triphosphate BER Söa ch÷a b»ng c¾t bá baz¬ nit¬ Base excision repair cADN ADN phiªn m· ng−îc tõ ARN Complementary DNA (cDNA) cAMP AMP vßng Cyclic AMP CAP / CRP Protein ho¹t hãa bëi chÊt dÞ hãa / Catabolite activator protein / Protein thô thÓ cña cAMP cAMP receptor protein CDK Enzym kinase phô thuéc cyclin Cyclin-dependent kinase CE §iÖn di mao qu¶n Capillary electrophoresis CML Ung th− b¹ch cÇu thÓ tñy tr−êng diÔn Chronic myelogenous cancer cs Céng sù Co-workers CTAB Cetyltrimethylammonium bromide Cetyltrimethylammonium bromide Da Dalton Dalton DGGE §iÖn di biÕn tÝnh gradient Denaturing gradient gel electrophoresis DHU Dihydrouridine Dihydrouridine dNTP Deoxyribonucleotide triphosphate Deoxyribonucleotide triphosphate dsADN ADN sîi kÐp Double strand DNA §VCXS §éng vËt cã x−¬ng sèng Vertebrate animal EDTA Ethylene diamine tetraacetate Ethylene diamine tetraacetate EHMR Khèi phæ ®é ph©n gi¶i cùc cao Extremely high mass resolution EJC Phøc hÖ nèi c¸c exon Exon joining complex EMS Ethyl methane sulfonate Ethyl methane sulfonate ESI Ion hãa phun ®iÖn Electrospray ionization EST §o¹n ®¸nh dÊu tr×nh tù biÓu hiÖn Expressed sequence tag iii

Tõ viÕt t¾t NghÜa tiÕng ViÖt NghÜa tiÕng Anh FAP Héi chøng u tuyÕn polyp theo dßng hä Familial adenomatous polyposis FGF YÕu tè t¨ng tr−ëng nguyªn bµo sîi Fibroblast growth factor FISH Lai huúnh quang t¹i chç Fluorescent insitu hybridization gARN ARN dÉn ®−êng Guide RNA GR Thô thÓ glucocorticoid Glucocorticoid receptor HIV Virut g©y suy gi¶m miÔn dÞch ë ng−êi Human immunodeficiency virus HLA Kh¸ng nguyªn liªn kÕt tÕ bµo lympho ng−êi Human leukocyte antigen HPLC S¾c ký láng cao ¸p / S¾c ký hiÖu n¨ng cao High pressure liquid chromatography IRES VÞ trÝ ®i vµo cña ribosome Internal ribosome entry site IS C¸c tr×nh tù (yÕu tè) cµi Insertion sequence Kcb H»ng sè c©n b»ng Equilibrium constant kDa Kilodalton Kilodalton LCR Vïng ®iÒu khiÓn locut Locus control region LINE C¸c tr×nh tù dµi n»m r¶i r¸c trong nh©n Long interspersed nuclear element LTR C¸c tr×nh tù lÆp l¹i dµi ë ®Çu tËn cïng Long terminal repeat MALDI Ph©n hñy laser trong chÊt mang Matrix-assissted laser desorption ionization mARN ARN th«ng tin Messeger RNA MHC Phøc hÖ kh¸ng nguyªn t−¬ng hîp m« Major histocompability complex miARN TiÓu ARN Micro RNA (miRNA) MMR Söa ch÷a kÕt cÆp sai nhê m¹ch khu«n Methyl-directed mismatch repair ®−îc methyl hãa MMS Methyl methane sulfonate Methyl methane sulfonate MS Khèi phæ Mass spectrophotometry mtARN ARN ti thÓ Mitochondrial RNA NER Söa ch÷a b»ng c¾t bá nucleotide Nucleotide excision repair NJ ThuËt to¸n kÕt nèi l©n cËn Neighbor joining NMD Ph©n hñy mARN mang ®ét biÕn v« nghÜa Nonsense mediated decay of mRNA NMR Céng h−ëng tõ h¹t nh©n Nuclear magnetic resonance NST NhiÔm s¾c thÓ Chromosome NTP Ribonucleotide triphosphate Ribonucleotide triphosphate ORF Khung ®äc më Open reading frame PABP Protein liªn kÕt ®u«i polyA PolyA binding protein PAGE §iÖn di trªn gel polyacrylamide Polyacrylamide gel electrophoresis PCR Ph¶n øng chuçi trïng hîp Polymerase chain reaction PDGF YÕu tè t¨ng tr−ëng cã nguån gèc tiÓu cÇu Platelet-derived growth factor PEP Phosphoenolpyruvate Phosphoenolpyruvate PFGE §iÖn di xung tr−êng Pulsed-field gel electrophoresis PITC Phenylisothyocyanate Phenylisothyocyanate PPi / ~ Nhãm pyrophosphate Pyrophosphate group PTS PEP-dependent phosphotransferase HÖ thèng phosphoryl hãa phô thuéc vµo system PEP iv

Tõ viÕt t¾t NghÜa tiÕng ViÖt NghÜa tiÕng Anh rARN ARN ribosome Ribosomal RNA RBS VÞ trÝ liªn kÕt ribosome Ribosome binding site RFLP §a h×nh ®é dµi c¸c ®o¹n giíi h¹n Restriction fragment length polymorphism RISC Phøc hÖ t¾t gen kÝch øng bëi ARN RNA-induced silencing complex RPBS Regulatory protein binding site SCID VÞ trÝ liªn kÕt protein ®iÒu hßa Severe combined immunodeficiency disease SDS BÖnh suy gi¶m miÔn dÞch kÕt hîp Sodium dodecyl sulfate siARN nghiªm träng Small interfering RNA SINE Short interspersed nuclear element Sodium dodecyl sulfate SMC Structural maintenance of chromosome snARN ARN can thiÖp kÝch th−íc nhá Small nuclear RNA snoARN Small nucleolar RNA snRNP C¸c yÕu tè tr×nh tù ng¾n n»m r¶i r¸c Small nuclear ribonucleoprotein SRP ARN trong nh©n Signal recognition RNA ssADN Single strand DNA SSB Protein duy tr× cÊu tróc nhiÔm s¾c thÓ Single strand binding protein STR / SSR Microsatellite / simple tandem repeats tARN ARN nh©n kÝch th−íc nhá Transfer RNA TBP TATA-box binding protein TE ARN h¹ch nh©n kÝch th−íc nhá Transposable element TIC Translocase, inner chloroplast Ribonucleoprotein kÝch th−íc nhá TIM Translocase, inner mitochondrial ARN nhËn biÕt tÝn hiÖu tmARN tmRNA TMV ADN m¹ch ®¬n Tobacco mosaic virus TOC Translocase, outer chloroplast Protein b¸m m¹ch ®¬n TOF Time of flight TOM Tr×nh tù vi vÖ tinh Translocase, outer mitochondrial uORF ARN vËn chuyÓn Upstream open reading frame UPGMA Unweighted pair group with Protein liªn kÕt hép TATA arthmetic means UV Ultra violet VNTR YÕu tè di truyÒn vËn ®éng / gen nh¶y Variable number tandem repeats / minisatellite HÖ thèng vËn chuyÓn translocase mµng trong l¹p thÓ HÖ thèng vËn chuyÓn translocase mµng trong ti thÓ ARN tÝch hîp cña mARN vµ tARN Virut kh¶m thuèc l¸ HÖ thèng vËn chuyÓn translocase mµng ngoµi l¹p thÓ Thêi gian bay HÖ thèng vËn chuyÓn translocase mµng ngoµi ti thÓ Khung ®äc më n»m ng−îc dßng ThuËt to¸n ph©n cÆp dùa trªn gi¸ trÞ trung b×nh Tia cùc tÝm Tr×nh tù nucleotide ng¾n lÆp l¹i liªn tôc víi sè l−îng biÕn ®éng/ tiÓu vÖ tinh v

























Ch−¬ng 1 liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc 1.1. §Æc ®iÓm liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Liªn kÕt hãa häc lµ lùc hÊp dÉn gi÷ c¸c nguyªn tö víi nhau. Sù kÕt tô cña c¸c nguyªn tö thµnh mét khèi cã kÝch th−íc x¸c ®Þnh ®−îc gäi lµ ph©n tö. Tr−íc ®©y, ng−êi ta cho r»ng trong ph©n tö chØ c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ (lµ nh÷ng liªn kÕt rÊt m¹nh) míi cã vai trß gi÷ c¸c nguyªn tö víi nhau. Giê ®©y, chóng ta ®· biÕt c¸c liªn kÕt yÕu còng cã vai trß quan träng trong cÊu tróc cña c¸c ph©n tö sinh häc. Ch¼ng h¹n nh−, bèn chuçi polypeptide cña hemoglobin ®−îc ®Ýnh kÕt víi nhau nhê mét sè liªn kÕt yÕu. Nh− vËy, mÆc dï quen gäi lµ liªn kÕt yÕu, nh−ng khi kÕt hîp l¹i c¸c liªn kÕt yÕu còng cã thÓ gi÷ c¸c nguyªn tö víi nhau. C¸c liªn kÕt hãa häc ®−îc ph©n lo¹i dùa trªn mét sè ®Æc tÝnh, trong ®ã cã lùc liªn kÕt. C¸c liªn kÕt m¹nh hÇu nh− kh«ng bao giê tù ®øt g·y trong ®iÒu kiÖn sinh lý c¬ thÓ, v× vËy c¸c nguyªn tö ®−îc tËp hîp bëi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ lu«n thuéc vÒ cïng mét ph©n tö. C¸c liªn kÕt yÕu th× dÔ ®øt g·y h¬n nhiÒu vµ khi tån t¹i ®¬n lÎ, thêi gian tån t¹i cña chóng th−êng rÊt ng¾n. Nh−ng, khi tËp hîp l¹i theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh th× c¸c liªn kÕt yÕu cã thÓ tån t¹i l©u dµi. Lùc cña mét liªn kÕt hãa häc t−¬ng quan víi “chiÒu dµi” cña chóng. V× vËy, hai nguyªn tö ®−îc gi÷ bëi liªn kÕt m¹nh lu«n gÇn nhau h¬n hai nguyªn tö cïng lo¹i ®−îc gi÷ bëi liªn kÕt yÕu. VÝ dô: liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a hai nguyªn tö H trong ph©n tö (H:H) cã kho¶ng c¸ch 0,74Å, trong khi kho¶ng c¸ch nµy trong lùc Van der Waals lµ 1,2Å. Mét ®Æc tÝnh quan träng kh¸c lµ sè liªn kÕt tèi ®a mµ mçi nguyªn tö cã thÓ t¹o ra. Sè liªn kÕt céng hãa trÞ tèi ®a mµ mét nguyªn tö cã thÓ cã ®−îc gäi lµ hãa trÞ cña nguyªn tö ®ã. Ch¼ng h¹n nh− oxy cã hãa trÞ 2, nghÜa lµ nã kh«ng bao giê h×nh thµnh ®−îc nhiÒu h¬n hai liªn kÕt céng hãa trÞ. §èi víi liªn kÕt Van der Waals, ®Æc tÝnh nµy linh ho¹t h¬n. Trong ®ã, sè liªn kÕt Van der Waals mµ mét nguyªn tö cã thÓ cã chØ phô thuéc vµo vÞ trÝ kh«ng gian cña nã vµ sè nguyªn tö kh¸c mµ nã cã thÓ ®ång thêi tiÕp xóc. Sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt hydro bÞ h¹n chÕ h¬n so víi liªn kÕt Van der Waals. Mét nguyªn tö hydro liªn kÕt céng hãa trÞ th−êng chØ tham gia vµo mét liªn kÕt hydro duy nhÊt, trong khi mét nguyªn tö oxy cã thÓ tham gia vµo nhiÒu h¬n hai liªn kÕt hydro kh¸c nhau. C¸c liªn kÕt m¹nh vµ yÕu cßn kh¸c nhau vÒ gãc liªn kÕt, ®ã lµ gãc ®−îc h×nh thµnh gi÷a hai liªn kÕt xuÊt ph¸t tõ cïng mét nguyªn tö. Gãc liªn kÕt gi÷a hai liªn kÕt céng hãa trÞ ®Æc thï th−êng lµ æn ®Þnh. VÝ dô nh− khi nguyªn tö cacbon cã bèn liªn kÕt céng hãa trÞ ®¬n (CH4), mçi liªn kÕt t¹o thµnh mét gãc cña khèi tø diÖn ®Òu (gãc liªn kÕt ≈ 109o). Ng−îc l¹i, gãc t¹o thµnh gi÷a c¸c liªn kÕt yÕu th−êng kh«ng æn ®Þnh. Ngoµi ra, c¸c liªn kÕt cßn kh¸c nhau vÒ møc quay tù do. C¸c liªn kÕt céng hãa trÞ ®¬n cho phÐp c¸c nguyªn tö quay tù do xung quanh nguyªn tö liªn kÕt, trong khi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ kÐp (liªn kÕt ®«i hoÆc liªn kÕt ba) th× cøng nh¾c. V× lý do nµy, nªn c¸c nhãm cacbonyl (C=O) vµ imino (N=C) g¾n kÕt víi nhau qua liªn kÕt peptide ph¶i n»m trªn cïng mét “mÆt ph¼ng t−¬ng ®èi”. C¸c liªn kÕt yÕu h¬n (nh− liªn kÕt ion) th× ng−îc l¹i kh«ng cã h¹n chÕ nµo vÒ viÖc ®Þnh h−íng t−¬ng ®èi gi÷a c¸c nguyªn tö. 1.1.1. Sù h×nh thµnh liªn kÕt hãa häc g¾n liÒn víi sù thay ®æi vÒ n¨ng l−îng Sù h×nh thµnh mét liªn kÕt hãa häc tù ph¸t gi÷a hai nguyªn tö lu«n g¾n liÒn víi sù gi¶i phãng mét phÇn n¨ng l−îng bªn trong cña c¸c nguyªn tö ë d¹ng kh«ng liªn kÕt (tù do) vµ chuyÓn chóng thµnh mét d¹ng n¨ng l−îng míi. Liªn kÕt cµng m¹nh th× n¨ng l−îng 1

§inh §oµn Long “tho¸t” ra cµng lín. Ph¶n øng h×nh thµnh liªn kÕt gi÷a hai nguyªn tö A vµ B cã thÓ m« t¶ nh− sau: A + B → AB + n¨ng l−îng (ph−¬ng tr×nh 1.1) trong ®ã AB biÓu diÔn ph©n tö liªn kÕt. Tèc ®é ph¶n øng t−¬ng quan thuËn víi tÇn sè va ch¹m cña c¸c nguyªn tö. §¬n vÞ th−êng ®−îc dïng ®Ó biÓu diÔn n¨ng l−îng lµ calo; ®ã lµ l−îng n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó lµm t¨ng nhiÖt ®é 1 gam n−íc lªn 1oC. Nh−ng ®Ó lµm vì c¸c liªn kÕt hãa häc cña mét mole ph©n tö nµo ®ã, th−êng cÇn hµng ngh×n calo, v× vËy møc thay ®æi n¨ng l−îng trong c¸c ph¶n øng hãa häc th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ kcal/mol. Tuy vËy, c¸c nguyªn tö liªn kÕt hãa häc víi nhau kh«ng ph¶i lu«n duy tr× ë tr¹ng th¸i liªn kÕt. Sù cã mÆt cña nhiÒu lùc cã thÓ lµm ph¸ vì c¸c liªn kÕt nµy. Mét trong nh÷ng lùc nh− vËy lµ nhiÖt n¨ng. Sù va ®Ëp gi÷a c¸c nguyªn tö hoÆc ph©n tö khi chuyÓn ®éng nhanh cã thÓ ph¸ vì c¸c liªn kÕt hãa häc. Trong qu¸ tr×nh va ®Ëp, mét phÇn ®éng n¨ng cña c¸c nguyªn tö chuyÓn ®éng cã thÓ ®Èy bËt hai nguyªn tö ®ang liªn kÕt ra khái nhau. Mét ph©n tö cµng chuyÓn ®éng nhanh (tøc lµ nhiÖt ®é cµng cao), th× kh¶ n¨ng ph¸ vì c¸c liªn kÕt cµng lín. V× vËy, khi nhiÖt ®é cña hçn hîp c¸c ph©n tö t¨ng lªn, th× sù bÒn v÷ng cña c¸c liªn kÕt hãa häc gi¶m ®i. Sù ®øt g·y cña mét liªn kÕt hãa häc ®−îc biÓu diÔn bëi ph−¬ng tr×nh: AB + n¨ng l−îng → A + B (ph−¬ng tr×nh 1.2) L−îng n¨ng l−îng cÇn ®−îc bæ sung ®Ó ph¸ vì mét liªn kÕt ®óng b»ng l−îng n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phãng khi liªn kÕt ®ã h×nh thµnh. Sù c©n b»ng nµy lµ néi dung ®Þnh luËt nhiÖt ®éng häc thø nhÊt vèn ®−îc ph¸t biÓu r»ng “n¨ng l−îng kh«ng tù nhiªn sinh ra hoÆc mÊt ®i”. 1.1.2. Sù c©n b»ng gi÷a qu¸ tr×nh h×nh thµnh vµ ph¸ vì liªn kÕt hãa häc Nh− vËy, sù h×nh thµnh hay ph¸ vì mét liªn kÕt hãa häc lµ kÕt qu¶ cña c¸c ho¹t ®éng kÕt hîp gi÷a c¸c lùc h×nh thµnh vµ ph¸ vì liªn kÕt. Khi mét hÖ thèng kÝn ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng, th× sè liªn kÕt h×nh thµnh qua mét ®¬n vÞ thêi gian sÏ ®óng b»ng sè liªn kÕt bÞ ph¸ vì. Khi ®ã, tØ lÖ c¸c nguyªn tö ë tr¹ng th¸i liªn kÕt sÏ ®−îc biÓu diÔn b»ng c«ng thøc sau: Kcb = [AB]/([A]x[B]) (ph−¬ng tr×nh 1.3) trong ®ã, Kcb lµ h»ng sè c©n b»ng; [AB], [A] vµ [B] t−¬ng øng lµ nång ®é cña AB, A vµ B, tÝnh theo ®¬n vÞ mole/L. Dï cho chóng ta b¾t ®Çu hÖ thèng chØ víi A vµ B riªng rÏ, hoÆc phøc hîp AB, hay c¶ phøc hîp AB vµ A, B riªng rÏ, th× cuèi cïng hÖ thèng kÝn sÏ ®¹t ®Õn c¸c nång ®é t−¬ng quan cña Kcb. 1.1.3. Kh¸i niÖm vÒ n¨ng l−îng tù do Mét sù thay ®æi vÒ n¨ng l−îng lu«n xuÊt hiÖn khi cã mét tØ lÖ nhÊt ®Þnh c¸c nguyªn tö ë tr¹ng th¸i liªn kÕt dÇn chuyÓn sang tr¹ng th¸i c©n b»ng. Trong sinh häc, c¸ch biÓu diÔn sù thay ®æi n¨ng l−îng nh− vËy h÷u hiÖu nhÊt lµ n¨ng l−îng tù do, ®−îc viÕt t¾t lµ G (®Ó t−ëng nhí nhµ vËt lý Josiah Gibbs). Trong ph¹m vi gi¸o tr×nh nµy, chóng ta kh«ng ®Ò cËp s©u vÒ kh¸i niÖm n¨ng l−îng tù do. ë ®©y, xÐt vÒ mÆt sinh häc, chóng ta chØ thõa nhËn lµ “n¨ng l−îng tù do lµ d¹ng n¨ng l−îng cã thÓ ho¹t ®éng”. §Þnh luËt thø hai cña nhiÖt ®éng häc ph¸t biÓu r»ng n¨ng l−îng tù do lu«n mÊt ®i (∆G < 0) khi ph¶n øng hãa häc x¶y ra tù ph¸t, nh−ng khi ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng, n¨ng l−îng tù do sÏ kh«ng thay ®æi (∆G = 0). Nh− vËy, tr¹ng th¸i c©n b»ng cña mét hÖ thèng kÝn (gåm tËp hîp c¸c nguyªn tö) chÝnh lµ tr¹ng th¸i cã møc thay ®æi n¨ng l−îng tù do thÊp nhÊt. 2

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc N¨ng l−îng tù do mÊt ®i khi ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i B¶ng 1.1. Sù t−¬ng quan gi÷a h»ng c©n b»ng ®−îc chuyÓn hãa thµnh nhiÖt n¨ng hoÆc sè c©n b»ng Kcb vµ ∆G ë 25oC ®−îc dïng ®Ó lµm t¨ng møc entr«pi. ë ®©y, chóng ta Kcb ∆G (Kcal/mol) còng kh«ng bµn s©u vÒ entr«pi, mµ chØ thõa nhËn ®ã 0,0001 4,089 lµ ®¹i l−îng ®o møc ®é hçn lo¹n. Khi møc ®é hçn lo¹n cµng cao, th× møc entr«pi cµng cao vµ xu h−íng cµng 0,01 2,726 cã nhiÒu ph¶n øng tù ph¸t x¶y ra (tøc lµ n¨ng l−îng tù do gi¶m) nh−ng kh«ng nhÊt thiÕt lµm t¨ng nhiÖt 0,1 1,363 ®é. VÝ dô: khi NaCl hßa tan trong n−íc, nhiÖt bÞ hÊp thu chø kh«ng ph¶i ®−îc gi¶i phãng ra ngoµi. Trong 1,0 0 tr−êng hîp nµy n¨ng l−îng tù do gi¶m do lµm t¨ng tr¹ng th¸i hçn lo¹n cña c¸c ion Na+ vµ Cl- khi chóng 10,0 - 1,363 chuyÓn tõ tr¹ng th¸i r¾n sang tr¹ng th¸i hßa tan. 100,0 - 2,726 1000,0 -4,089 1.1.3.1. H»ng sè Kcb cã t−¬ng quan theo hµm sè mò víi chØ sè ∆G C¨n cø vµo lËp luËn trªn ®©y, râ rµng víi c¸c liªn kÕt cµng m¹nh vµ sù thay ®æi møc n¨ng l−îng tù do cµng lín th× ph¶n øng cµng cã xu h−íng x¶y ra vµ cµng cã nhiÒu nguyªn tö tån t¹i ë d¹ng liªn kÕt. §iÒu nµy ®−îc biÓu diÔn mét c¸ch ®Þnh l−îng b»ng c«ng thøc sau: ∆G = -RT ln Kcb hay Kcb = e -∆G/RT (ph−¬ng tr×nh 1.4) trong ®ã, R lµ h»ng sè khÝ phæ th«ng, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi, ln lµ hµm logarit c¬ sè e (cña Kcb), cßn Kcb lµ h»ng sè c©n b»ng, e = 2,718. NÕu ¸p dông víi c¸c gi¸ trÞ phï hîp cña R (1,987 cal/deg.mol) vµ T (298 ë 25oC) th× mét møc chªnh n¨ng l−îng tù do (∆G) b»ng kho¶ng 2 kcal/mol lµ ®ñ ®Ó l¸i ph¶n øng theo h−íng h×nh thµnh liªn kÕt nÕu c¸c thµnh phÇn ph¶n øng ®Òu cã mÆt ë l−îng mole (b¶ng 1.1). 1.1.3.2. C¸c liªn kÕt céng hãa trÞ lµ c¸c liªn kÕt rÊt m¹nh C¸c gi¸ trÞ ∆G cña c¸c ph¶n øng h×nh thµnh c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ tõ c¸c nguyªn tö tù do th−êng cã gi¸ trÞ rÊt lín vµ mang dÊu ©m (tøc lµ gi¶i phãng n¨ng l−îng tù do). Th«ng th−êng ∆G cña c¸c ph¶n øng nµy dao ®éng trong kho¶ng tõ -50 ®Õn -110 kcal/mol. C¸c ph−¬ng tr×nh 1.3 vµ 1.4 cho thÊy r»ng h»ng sè Kcb cña mét ph¶n øng sÏ cã gi¸ trÞ lín t−¬ng quan víi sè liªn kÕt ®−îc h×nh thµnh. VÝ dô víi gi¸ trÞ ∆G = - 100 kcal/mol, nÕu chóng ta b¾t ®Çu víi 1 mol/L c¸c nguyªn tö ph¶n øng, th× chØ cã 1 trong 1040 nguyªn tö tån t¹i ë tr¹ng th¸i kh«ng liªn kÕt khi hÖ thèng ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng. 1.2. TÇm quan träng vµ ®Æc ®iÓm cña c¸c liªn kÕt yÕu trong c¸c hÖ thèng sinh häc C¸c ®¹i ph©n tö sinh häc ®−îc quan t©m nhiÒu nhÊt trong di truyÒn häc vµ sinh häc ph©n tö hiÖn nay lµ c¸c axit nucleic vµ protein. Chóng ®Òu ®−îc t¹o nªn tõ c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a c¸c ®¬n ph©n t−¬ng øng cña chóng lµ c¸c nucleotide vµ c¸c axit amin. C¸c liªn kÕt céng hãa trÞ lµ c¸c liªn kÕt m¹nh, bÒn v÷ng vµ trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é sinh lý tÕ bµo, chóng kh«ng bao giê tù ®øt g·y. Tuy vËy, trong c¸c hÖ thèng sinh häc cßn tån t¹i nh÷ng liªn kÕt yÕu còng cã vai trß sèng cßn ®èi víi sù sèng. Së dÜ gäi chóng lµ liªn kÕt yÕu v× chóng cã thÓ h×nh thµnh vµ ®øt g·y ngay trong c¸c ®iÒu kiÖn sinh lý b×nh th−êng. C¸c liªn kÕt yÕu chiÕm vai trß chñ ®¹o trong ®iÒu hßa t−¬ng t¸c gi÷a c¸c enzym víi c¬ chÊt, gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc víi nhau, trong ®ã phæ biÕn nhÊt lµ gi÷a c¸c protein vµ gi÷a protein víi ADN. C¸c liªn kÕt yÕu ®iÒu hßa sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö dÉn ®Õn sù thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian vµ sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña chóng. Do vËy, dï protein cã b¶n chÊt lµ c¸c chuçi polypeptide gåm c¸c axit amin liªn kÕt céng hãa trÞ víi nhau, th× sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña chóng l¹i ®−îc quyÕt ®Þnh cuèi cïng bëi tËp hîp cña nh÷ng liªn kÕt yÕu. Së dÜ 3

§inh §oµn Long nh− vËy lµ do chÝnh nh÷ng liªn kÕt yÕu nµy míi quyÕt ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian thùc tÕ cña protein khi biÓu hiÖn chøc n¨ng. T−¬ng tù nh− vËy, hai m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp ADN ®−îc gi÷ víi nhau bëi mét lo¹i liªn kÕt yÕu cã vai trß ®Æc biÖt, gäi lµ liªn kÕt hydro. C¸c lo¹i liªn kÕt yÕu cã vai trß quan träng nhÊt trong c¸c hÖ thèng sinh häc bao gåm c¸c liªn kÕt Van der Waals, liªn kÕt kÞ n−íc, liªn kÕt hydro vµ liªn kÕt ion. Trong ®ã, ®«i khi khã ph©n biÖt gi÷a liªn kÕt hydro vµ liªn kÕt ion. 1.2.1. C¸c liªn kÕt yÕu cã n¨ng l−îng trong kho¶ng 1 – 7 kcal/mol Liªn kÕt yÕu nhÊt lµ c¸c liªn kÕt Van der Waals. C¸c liªn kÕt nµy cã n¨ng l−îng trong kho¶ng 1 - 2 kcal/mol, tøc lµ chØ lín h¬n ®«i chót ®éng n¨ng cña chuyÓn ®éng nhiÖt. N¨ng l−îng cña c¸c liªn kÕt hydro vµ ion vµo kho¶ng 3 - 7 kcal/mol. Trong c¸c dÞch láng, hÇu hÕt c¸c ph©n tö h×nh thµnh c¸c liªn kÕt yÕu víi c¸c nguyªn tö ë xung quanh. TÊt c¶ c¸c ph©n tö cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt Van der Waals, nh−ng c¸c liªn kÕt hydro vµ ion chØ cã thÓ h×nh thµnh gi÷a c¸c ph©n tö mang ®iÖn tÝch hoÆc khi ®iÖn tÝch trªn ph©n tö ph©n bè kh«ng ®Òu. Theo nguyªn t¾c ®ã, mét sè ph©n tö trong dung dÞch ®ång thêi h×nh thµnh mét sè liªn kÕt yÕu kh¸c nhau. Nh−ng, xÐt vÒ mÆt n¨ng l−îng, c¸c ph©n tö lu«n cã xu h−íng “−u tiªn” cho sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt cã n¨ng l−îng m¹nh h¬n. 1.2.2. Trong ®iÒu kiÖn sinh lý sè liªn kÕt yÕu ®−îc h×nh thµnh vµ ph¸ vì æn ®Þnh N¨ng l−îng cña liªn kÕt yÕu chØ lín h¬n kho¶ng 10 lÇn so víi ®éng n¨ng chuyÓn ®éng nhiÖt ë 25oC (~0,6 kcal/mol). V× ®éng n¨ng chuyÓn ®éng nhiÖt cña nhiÒu ph©n tö lµ ®ñ lín ®Ó ph¸ vì c¸c liªn kÕt yÕu ngay sau khi chóng h×nh thµnh ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é sinh lý cña c¬ thÓ, nªn ë tr¹ng th¸i c©n b»ng sè liªn kÕt yÕu ®−îc h×nh thµnh vµ ph¸ vì lµ æn ®Þnh. 1.2.3. Sù kh¸c biÖt gi÷a c¸c ph©n tö ph©n cùc vµ kh«ng ph©n cùc Tïy thuéc vµo b¶n chÊt nguyªn tö, sù ph©n cùc cña c¸c ®iÖn tö cã tÝnh th−êng xuyªn hoÆc t¹m thêi. VÝ dô: ph©n tö oxy (O : O) cã sù ph©n bè ®iÖn tÝch ®èi xøng gi÷a hai nguyªn tö, nªn mçi nguyªn tö ®Òu mang c¸c ®iÖn tö kh«ng tÝch ®iÖn. Ng−îc l¹i, ph©n tö n−íc (H :O: H) kh«ng cã sù ph©n bè ®Òu ®iÖn tÝch. C¸c ®iÖn tö bÞ \"hót\" bëi c¸c nguyªn tö oxy m¹nh h¬n. V× vËy, nguyªn tö oxy mang ®iÖn ©m, trong khi hai nguyªn tö hydro cïng chia sÎ mét l−îng ®ång ®Òu vÒ ®iÖn tÝch d−¬ng. Trung t©m mang ®iÖn tÝch d−¬ng n»m vÒ mét phÝa so víi trung t©m mang ®iÖn tÝch ©m. Sù ph©n cùc cña c¸c ®iÖn tÝch d−¬ng vµ ©m nh− vËy h×nh thµnh nªn momen l−ìng cùc. Sù chia sÎ c¸c ®iÖn tö kh«ng ®ång ®Òu nh− vËy ph¶n ¸nh ¸i lùc kh¸c nhau ®èi víi c¸c ®iÖn tö cña c¸c nguyªn tö kh¸c nhau. C¸c nguyªn tö cã xu h−íng hót ®iÖn tö m¹nh ®−îc gäi lµ c¸c nguyªn tö ©m ®iÖn. Ng−îc l¹i, c¸c nguyªn tö cã xu h−íng cho ®iÖn tö ®−îc gäi lµ c¸c nguyªn tö d−¬ng ®iÖn. C¸c ph©n tö cã momen l−ìng cùc (nh− H2O) ®−îc gäi lµ c¸c ph©n tö ph©n cùc. C¸c ph©n tö kh«ng ph©n cùc lµ c¸c ph©n tö kh«ng cã momen l−ìng cùc râ rÖt. VÝ dô nh− ®èi víi ph©n tö methane (CH4), c¸c nguyªn tö C vµ H cã ¸i lùc víi cÆp ®iÖn tö gi÷a chóng lµ ®ång ®Òu, cho nªn ph©n tö CH4 kh«ng cã tÝnh ph©n cùc. Tuy vËy, trong dung dÞch sù ph©n bè cña c¸c ®iÖn tö gi÷a c¸c nguyªn tö cßn bÞ ¶nh h−ëng bëi c¸c nguyªn tö kh¸c ë xung quanh. §iÒu nµy ®Æc biÖt râ ®èi víi c¸c ph©n tö ph©n cùc. Sù t¸c ®éng cã thÓ lµm cho mét ph©n tö kh«ng ph©n cùc trë thµnh mét ph©n tö cã tÝnh ph©n cùc nhÑ. KÓ c¶ trong tr−êng hîp ph©n tö thø hai còng kh«ng ph©n cùc, th× sù cã mÆt cña nã còng lµm thay ®æi ph©n tö kh«ng ph©n cùc thø nhÊt dÉn ®Õn sù dao ®éng ph©n bè cña c¸c ®iÖn tÝch gi÷a c¸c nguyªn tö. Trong tr−êng hîp nµy, tÊt nhiªn, sù ph©n t¸ch cña c¸c ®iÖn tö kh«ng râ rÖt nh− trong tr−êng hîp cña c¸c ph©n tö ph©n cùc, v× vËy n¨ng l−îng t−¬ng t¸c còng yÕu h¬n vµ liªn kÕt hãa häc ®−îc h×nh thµnh gi÷a chóng yÕu h¬n. 4

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc 1.2.4. Liªn kÕt Van der Waals C¸c liªn kÕt Van der Waals h×nh 10 Å thµnh khi mét lùc hÊp dÉn kh«ng ®Æc Lùc hÊpdÉnVan hiÖu xuÊt hiÖn khi hai nguyªn tö tiÕp derWaals yÕu xóc gÇn nhau. §iÒu nµy x¶y ra do sù 5Å dao ®éng cña c¸c ®iÖn tö bÞ ¶nh h−ëng khi c¸c ph©n tö di chuyÓn ®Õn gÇn Lùc hÊpdÉnVander nhau. Trªn c¬ së ®ã, liªn kÕt Van der Waals m¹nh Waals cã thÓ xuÊt hiÖn gi÷a mäi lo¹i ph©n tö, dï chóng lµ ph©n cùc hay 4Å kh«ng ph©n cùc. Nã chñ yÕu chØ phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nhãm t−¬ng t¸c, trong ®ã n¨ng l−îng liªn kÕt tØ lÖ nghÞch theo lòy thõa 6 cña kho¶ng c¸ch gi÷a chóng (h×nh 1.1). Tuy vËy, khi c¸c nguyªn tö tiÕn Lùc hÊp dÉn Van der gÇn ®Õn nhau mét møc nhÊt ®Þnh th× Waals trë nªn c©n b»ng l¹i xuÊt hiÖn lùc ®Èy Van der Waals. víi lùc ®Èy do sù ®Ì lªn nhau cña líp ¸o ®iÖn tö Lùc ®Èy nµy ph¸t sinh do sù ®Ì lªn nhau cña líp ¸o ®iÖn tö bao quanh c¸c H×nh 1.1. Lùc Van der Waals thay ®æi theo kho¶ng nguyªn tö. Lùc ®Èy vµ lùc hÊp dÉn Van c¸ch nguyªn tö. C¸c nguyªn tö ë ®©y lµ khÝ tr¬ Argon der Waals sÏ duy tr× hai nguyªn tö ®Æc thï c¸ch nhau mét kho¶ng c¸ch æn (theo Pauling I., 1953, General Chemistry, p.322) ®Þnh. Kho¶ng c¸ch nµy ®−îc gäi lµ b¸n kÝnh Van der Waals (b¶ng 1.2). N¨ng B¶ng 1.2. B¸n kÝnh Van der Waals cña mét sè nguyªn tö phæ biÕn trong c¸c ph©n tö sinh häc l−îng liªn kÕt Van der Waals gi÷a hai nguyªn tö nhÊt ®Þnh t−¬ng quan víi tæng b¸n kÝnh Van der Waals cña mçi Nguyªn tö B¸n kÝnh Van der Waals (Å) nguyªn tö vµ t¨ng lªn cïng víi kÝch H 1,2 th−íc cña mçi nguyªn tö t−¬ng øng. §èi víi hai nguyªn tö cã kÝch th−íc N 1,5 trung b×nh, n¨ng l−îng nµy vµo kho¶ng O 1,4 1 kcal/mol, tøc lµ chØ lín h¬n ®«i chót P 1,9 so víi ®éng n¨ng nhiÖt trung b×nh cña S 1,85 c¸c ph©n tö ë nhiÖt ®é phßng (0,6 kcal/mol). Gèc (- CH3) 2,0 §iÒu nµy cã nghÜa lµ lùc Van der Mét nöa chiÒu dµy 1,7 Waals chØ trë thµnh mét lùc liªn kÕt ph©n tö chÊt th¬m ®¸ng kÓ ë nhiÖt ®é phßng khi mét sè nguyªn tö cña mét ph©n tö nµo ®ã liªn kÕt víi mét sè nguyªn tö cña mét ph©n tö kh¸c. Khi ®ã, n¨ng l−îng liªn kÕt sÏ lín h¬n nhiÒu so víi ®éng n¨ng nhiÖt g©y nªn sù ph©n t¸ch. §Ó cã sù t−¬ng t¸c m¹nh qua liªn kÕt Van der Waals, sù \"¨n khíp\" vÒ cÊu h×nh kh«ng gian gi÷a c¸c ph©n tö lµ yªu cÇu tiªn quyÕt, ®Ó ®¶m b¶o kho¶ng c¸ch gi÷a hai nguyªn tö t−¬ng t¸c kh«ng ®−îc lín h¬n tæng b¸n kÝnh Van der Waals. Lùc liªn kÕt Van der Waals sÏ nhanh chãng bÞ triÖt tiªu khi kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nguyªn tö chØ h¬i v−ît b¸n kÝnh Van der Waals. Nh− vËy, kiÓu liªn kÕt Van der Waals chØ m¹nh nhÊt khi mét ph©n tö cã mét phÇn cÊu tróc \"¨n khíp\" chÆt chÏ víi mét nhãm hay mét vïng cÊu tróc cña mét ph©n tö kh¸c gièng nh− tr−êng hîp t−¬ng t¸c gi÷a kh¸ng nguyªn víi kh¸ng thÓ. Trong tr−êng hîp liªn kÕt kh¸ng nguyªn - kh¸ng thÓ, n¨ng l−îng liªn kÕt cã thÓ ®¹t møc 20 - 30 kcal/mol, v× vËy hiÕm khi phøc hîp kh¸ng nguyªn - kh¸ng thÓ t¸ch nhau ra. C¸c liªn kÕt Van der Waals th−êng kh«ng chiÕm −u thÕ trong sù liªn kÕt gi÷a c¸c ph©n tö ph©n cùc. Bëi v× c¸c 5

§inh §oµn Long ph©n tö nµy cã xu h−íng ®¹t ®−îc tr¹ng th¸i n¨ng l−îng thÊp nhÊt (mÊt Ýt n¨ng l−îng tù do nhÊt) khi h×nh thµnh c¸c d¹ng liªn kÕt kh¸c. 1.2.5. C¸c liªn kÕt hydro Liªn kÕt hydro lµ liªn kÕt ®−îc h×nh thµnh gi÷a mét nguyªn tö hydro liªn kÕt céng hãa trÞ B¶ng 1.3. ChiÒu dµi mét sè liªn kÕt (®−îc gäi lµ nguyªn tö cho liªn kÕt hydro) víi mét hydro quan träng trong sinh häc nguyªn tö liªn kÕt céng hãa trÞ kh¸c mang mét sè ®iÖn tÝch ©m hoÆc d−¬ng (®−îc gäi lµ nguyªn Liªn kÕt ChiÒu dµi liªn kÕt (Å) tö nhËn liªn kÕt hydro). Mét vÝ dô vÒ liªn kÕt O – H …… O 2,70 ± 0,10 hydro lµ nguyªn tö hydro cña nhãm amino (-H2) 2,63 ± 0,10 bÞ hÊp dÉn bëi c¸c nguyªn tö oxy tÝch ®iÖn ©m O – H …… O- trong nhãm keto (-C=O). C¸c liªn kÕt hydro quan träng nhÊt trong sinh häc lµ liªn kÕt gi÷a O – H …… N 2,88 ± 0,13 mét nguyªn tö hydro víi mét nguyªn tö oxy (O- H) hay víi mét nguyªn tö nit¬ (N-H). Nãi c¸ch N – H …… O 3,04 ± 0,13 kh¸c, c¸c nguyªn tö nhËn liªn kÕt hydro quan träng nhÊt lµ nit¬ vµ oxy. B¶ng 1.3 liÖt kª mét sè N+ – H …… O 2,93 ± 0,10 liªn kÕt hydro quan träng. Khi kh«ng cã c¸c N – H …… N 3,10 ± 0,13 ph©n tö n−íc, n¨ng l−îng liªn kÕt hydro vµo kho¶ng 3 - 7 kcal/mol. Nh×n chung, c¸c liªn kÕt hydro lµ yÕu h¬n so víi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ nh−ng m¹nh h¬n c¸c liªn kÕt Van der Waals. V× vËy, kho¶ng c¸ch gi÷a hai nguyªn tö nµo ®ã ®−îc gi÷ l¹i víi nhau bëi liªn kÕt hydro lµ ng¾n h¬n so víi kho¶ng c¸ch cña chóng trong tr−êng hîp liªn kÕt Van der Waals, nh−ng l¹i xa h¬n trong tr−êng hîp liªn kÕt céng hãa trÞ. Mét ®iÓm kh¸c biÖt so víi liªn kÕt Van der Waals lµ c¸c liªn kÕt hydro cã tÝnh ®Þnh h−íng. Liªn kÕt hydro trë nªn m¹nh nhÊt khi nguyªn tö hydro cho liªn kÕt ë vÞ trÝ ®èi diÖn trùc tiÕp víi nguyªn tö nhËn liªn kÕt hydro. NÕu gãc liªn kÕt v−ît qu¸ 30o th× lùc liªn kÕt yÕu ®i nhiÒu. Nh− vËy, liªn kÕt hydro cã tÝnh ®Æc thï cao h¬n so víi liªn kÕt Van der Waals, bëi chóng cÇn sù t−¬ng ®ång gi÷a c¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt. 1.2.6. Mét sè liªn kÕt ion cã b¶n chÊt lµ liªn kÕt hydro RÊt nhiÒu hîp chÊt h÷u c¬ chøa c¸c nhãm ion mang mét hay nhiÒu ®iÖn tÝch ©m hoÆc d−¬ng. VÝ dô nh− c¸c nucleotide mang nhãm phosphate tÝch ®iÖn ©m, hay mçi axit amin (trõ prolin) mang mét nhãm imino tÝch ®iÖn d−¬ng (NH3+) vµ mét nhãm cacboxyl tÝch ®iÖn ©m (COO-). Trong dung dÞch, nh÷ng nhãm tÝch ®iÖn nµy th−êng ®−îc \"trung hßa\" bëi c¸c nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu ë gÇn. Lùc tÜnh ®iÖn sÏ xuÊt hiÖn gi÷a c¸c nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu vµ ®−îc gäi lµ c¸c liªn kÕt ion. N¨ng l−îng liªn kÕt ion trung b×nh lµ kho¶ng 5 kcal/mol. Trong nhiÒu tr−êng hîp, c¸c ph©n tö h÷u c¬ bÞ ion hãa th−êng ®−îc trung hßa ®iÖn tÝch bëi mét cation v« c¬ (nh− Na+, K+ hay Mg2+) hoÆc mét anion v« c¬ (nh− Cl- hay SO42-). Tuy vËy, ë trong dung dÞch, vÞ trÝ c¸c cation vµ anion th−êng kh«ng cè ®Þnh bëi c¸c ion v« c¬ lu«n bÞ bao v©y bëi “líp ¸o” gåm c¸c ph©n tö n−íc dÉn ®Õn viÖc chóng kh«ng liªn kÕt ®−îc víi c¸c nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu. Do ®ã, trong dung dÞch n−íc, liªn kÕt ion víi c¸c cation hoÆc anion v« c¬ th−êng kh«ng quyÕt ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian cña c¸c ph©n tö h÷u c¬. Ng−îc l¹i, liªn kÕt yÕu cã tÝnh ®Þnh h×nh cao h¬n l¹i lµ liªn kÕt hydro ®−îc h×nh thµnh gi÷a c¸c nhãm ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. Ch¼ng h¹n nh− c¸c nhãm COO- vµ NH3+ th−êng ®−îc gi÷ l¹i víi nhau bëi liªn kÕt hydro. Mét liªn kÕt hydro m¹nh còng cã thÓ ®−îc h×nh thµnh gi÷a mét nhãm tÝch ®iÖn víi mét nhãm kh«ng tÝch ®iÖn. VÝ dô nh−, nguyªn tö hydro 6

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc thuéc nhãm amino (NH2) cã thÓ t¹o liªn kÕt m¹nh víi nguyªn tö oxy cña nhãm cacboxyl (COO–). 1.2.7. C¸c liªn kÕt yÕu cÇn c¸c bÒ mÆt ph©n tö t−¬ng ®ång C¸c liªn kÕt yÕu chØ trë nªn hiÖu qu¶ khi bÒ mÆt cña c¸c ph©n tö tiÕp xóc gÇn nhau, vµ lùc liªn kÕt trë thµnh “m¹nh” khi bÒ mÆt c¸c ph©n tö cã cÊu tróc t−¬ng ®ång (gièng nh− kiÓu “ch×a khãa tra vµo æ khãa”). Trong sinh häc, “nguyªn t¾c” nµy d−êng nh− ®ång nghÜa víi viÖc mét lo¹i ph©n tö hÇu nh− kh«ng bao giê −u tiªn t¹o liªn kÕt yÕu víi chÝnh nã, bëi v× nã th−êng thiÕu tÝnh ®èi xøng cÇn thiÕt. Bëi v× mét ph©n tö cã nguyªn tö hydro cho liªn kÕt hydro, nh−ng kh«ng cã c¸c nguyªn tö nhËn liªn kÕt hydro phï hîp. Ng−îc l¹i, nhiÒu ph©n tö cã nhãm nhËn liªn kÕt hydro, nh−ng l¹i kh«ng cã c¸c nguyªn tö hydro cho liªn kÕt nµy. Nh−ng còng ph¶i nãi r»ng vÉn cã nhiÒu ph©n tö cã tÝnh ®èi xøng cÇn thiÕt ®Ó cã thÓ tù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt yÕu gi÷a chóng víi nhau, nh− c¸c ph©n tö n−íc ch¼ng h¹n. 1.2.8. C¸c ph©n tö n−íc tù h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau Trong ®iÒu kiÖn sinh lý tÕ bµo, c¸c ph©n tö n−íc hiÕm khi bÞ ion hãa thµnh c¸c ion H+ vµ OH-. Thay vµo ®ã, chóng th−êng tån t¹i d−íi d¹ng c¸c ph©n tö ph©n cùc H-O-H, víi c¸c nguyªn tö O vµ H “s½n sµng” cho viÖc h×nh thµnh nªn c¸c liªn kÕt hydro m¹nh. Trong mçi ph©n tö n−íc, mçi nguyªn tö oxy cã thÓ g¾n ®−îc víi hai nguyªn tö H ë bªn ngoµi. Trong khi ®ã, mçi nguyªn tö H chØ cã thÓ t¹o ®−îc mét liªn kÕt hydro víi nguyªn tö O bªn ngoµi. Trªn nguyªn t¾c ®ã, mçi ph©n tö n−íc cã thÓ t¹o liªn kÕt hydro víi tèi ®a 4 ph©n tö n−íc ë xung quanh b vµ h×nh thµnh c¸c gãc cña khèi tø diÖn ®Òu (h×nh 1.2). ë nhiÖt ®é ®«ng l¹nh, c¸c liªn kÕt c hydro nµy rÊt ch¾c, lµm cho c¸c ph©n tö n−íc cã H×nh 1.2. Mçi ph©n tö n−íc cã thÓ t¹o liªn cÊu tróc ®Þnh h×nh. Khi nhiÖt ®é cao h¬n 0oC, kÕt hydro víi 4 ph©n tö n−íc kh¸c ë xung ®éng n¨ng nhiÖt cña c¸c ph©n tö ®ñ lín ®Ó cã thÓ quanh vµ h×nh thµnh cÊu tróc tø diÖn ®Òu. ph¸ vì c¸c liªn kÕt hydro vµ lµm cho c¸c ph©n tö Trªn h×nh, c¸c nguyªn tö O lµ h×nh cÇu mµu n−íc hÇu nh− liªn tôc “thay ®æi” c¸c ph©n tö sÉm, c¸c nguyªn tö H lµ h×nh cÇu mµu s¸ng; a,b,c,d lµ c¸c ph©n tö n−íc ë xung quanh n−íc l©n cËn. Nh−ng nh×n chung, ë d¹ng láng mét ph©n tö n−íc lu«n ë tr¹ng th¸i liªn kÕt hydro víi bèn ph©n tö n−íc ë xung quanh nã. 1.2.9. C¸c liªn kÕt yÕu gi÷a c¸c ph©n tö trong c¸c dÞch láng MÆc dï n¨ng l−îng trung b×nh cña mét liªn kÕt thø cÊp nhá h¬n nhiÒu so víi liªn kÕt céng hãa trÞ, nh−ng còng ®ñ m¹nh khi so s¸nh víi ®éng n¨ng nhiÖt. V× vËy, trong dung dÞch phÇn lín c¸c ph©n tö ë tr¹ng th¸i liªn kÕt thø cÊp víi c¸c ph©n tö kh¸c. N¨ng l−îng liªn kÕt chØ vµo kho¶ng 2 - 3 kcal/mol lµ ®ñ ®Ó c¸c ph©n tö h×nh thµnh nªn mét sè tèi ®a c¸c liªn kÕt thø cÊp mµ mçi ph©n tö cã thÓ cã. TÝnh ®Þnh h×nh cña mét dung dÞch phô thuéc vµo thµnh phÇn c¸c chÊt tan, kh«ng chØ v× c¸c ph©n tö nµy cã h×nh d¹ng ®Æc thï mµ cßn v× chóng cã thÓ cã c¸c liªn kÕt thø cÊp kh¸c nhau. Trong dung dÞch, mét ph©n tö cã xu h−íng di ®éng liªn tôc cho ®Õn khi nã tiÕp cËn gÇn mét hoÆc mét sè ph©n tö kh¸c mµ nã cã thÓ h×nh thµnh c¸c liªn kÕt thø cÊp m¹nh nhÊt cã thÓ. Do c¸c tÕ bµo sèng th−êng tån t¹i ë d¹ng dÞch láng vµ c¸c ho¹t ®éng trao ®æi chÊt lµ sù chuyÓn hãa th−êng xuyªn mét ph©n tö nµy thµnh mét ph©n tö kh¸c, nªn b¶n chÊt cña c¸c 7

§inh §oµn Long liªn kÕt thø cÊp thay ®æi liªn tôc. CÊu tróc thÓ dÞch cña tÕ bµo v× vËy còng th−êng xuyªn bÞ ph¸ vì kh«ng chØ do c¸c chuyÓn ®éng nhiÖt, mµ cßn do sù chuyÓn hãa c¸c ph©n tö chÊt tan. 1.2.10. C¸c ph©n tö h÷u c¬ tan trong n−íc vµ xu h−íng t¹o liªn kÕt hydro Nh− ®· nãi ë trªn n¨ng l−îng liªn kÕt hydro lín h¬n nhiÒu so víi liªn kÕt Van der Waals, v× vËy, khi cã ®ñ ®iÒu kiÖn h×nh thµnh liªn kÕt hydro c¸c ph©n tö sÏ cã xu h−íng “−u tiªn” cho sù h×nh thµnh liªn kÕt hydro h¬n so víi liªn kÕt Van der Waals. VÝ dô vÒ hiÖn t−îng nµy lµ khi chóng ta trén dung m«i ph©n cùc lµ n−íc víi dung m«i kh«ng ph©n cùc lµ benzen, c¸c ph©n tö n−íc vµ benzen sÏ nhanh chãng t¸ch nhau ra. C¸c ph©n tö n−íc sÏ “−u tiªn” h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau, cßn c¸c ph©n tö benzen liªn kÕt víi nhau theo lùc Van der Waals. V× vËy, kh«ng thÓ hßa lÉn mét ph©n tö h÷u c¬ kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o liªn kÕt hydro vµo n−íc. Ng−îc l¹i, c¸c ph©n tö ph©n cùc nh− glucose vµ pyruvate chøa c¸c nhãm chøc cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt hydro (nh− =O hoÆc –OH) th× chóng cã thÓ hßa tan trong n−íc. Khi c¸c nhãm chøc nµy xen vµo c¸c ph©n tö n−íc, chóng cã thÓ ph¸ vì c¸c liªn kÕt hydro gi÷a c¸c ph©n tö n−íc vµ h×nh thµnh liªn kÕt hydro míi gi÷a chóng víi c¸c ph©n tö n−íc ë xung quanh. Tuy vËy, kh«ng ph¶i lóc nµo c¸c liªn kÕt hydro nµy còng phï hîp víi xu thÕ vÒ hiÖu n¨ng so víi liªn kÕt hydro gi÷a c¸c ph©n tö n−íc víi nhau. V× vËy, ngay c¶ víi c¸c ph©n tö cã tÝnh ph©n cùc m¹nh nhÊt, th× kh¶ n¨ng hßa tan cña chóng trong n−íc còng cã giíi h¹n. Nãi c¸ch kh¸c, hÇu hÕt mäi ph©n tö h÷u c¬ dï ®−îc tÕ bµo hÊp thô tõ thøc ¨n hay ®−îc tæng hîp tõ qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, ®Òu Ýt nhiÒu kh«ng tan trong n−íc. Nh÷ng ph©n tö nµy khi chuyÓn ®éng nhiÖt sÏ va ®Ëp vµo c¸c ph©n tö kh¸c ®Õn khi chóng t×m thÊy c¸c ph©n tö cã bÒ mÆt t−¬ng ®ång cao vµ g¾n vµo qua sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt thø cÊp (®ång thêi gi¶i phãng ra c¸c ph©n tö n−íc vèn cã xu h−íng −u tiªn cho liªn kÕt hydro “n−íc - n−íc”). 1.2.11. C¸c liªn kÕt kÞ n−íc gióp duy tr× æn ®Þnh cÊu tróc c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Trong dung dÞch, mét xu h−íng n÷a lµ c¸c ph©n tö n−íc lu«n ®Èy c¸c nhãm kh«ng ph©n cùc ra xa, vµ ®©y ®−îc gäi lµ c¸c liªn kÕt kÞ n−íc. Cã thÓ thÊy tõ “liªn kÕt” ë ®©y d−êng nh− bÞ dïng nhÇm bëi kh«ng cã “liªn kÕt” thùc sù nµo ®−îc h×nh thµnh. Ngoµi ra, thuËt ng÷ “liªn kÕt kÞ n−íc” cßn ®−îc dïng ®Ó nhÊn m¹nh hiÖn t−îng “c¸c nhãm kh«ng ph©n cùc lu«n tù s¾p xÕp sao cho chóng kh«ng tiÕp xóc víi c¸c ph©n tö n−íc”. C¸c liªn kÕt kÞ n−íc cã ý nghÜa quan träng trong viÖc gióp duy tr× tÝnh ®Þnh h×nh cña c¸c ph©n tö protein vµ c¸c phøc hÖ protein víi c¸c ph©n tö kh¸c, kÓ c¶ viÖc ph©n bè c¸c protein trªn mµng tÕ bµo. Nh÷ng liªn kÕt nµy chiÕm kho¶ng mét nöa tæng n¨ng l−îng tù do cña qu¸ tr×nh ®ãng gãi c¸c protein. Chóng ta lÊy mét vÝ dô vÒ sù h×nh thµnh liªn kÕt cña Alanine (Ala) vµ Glycine (Gly) víi mét ph©n tö thø ba cã bÒ mÆt t−¬ng ®ång víi Ala. VÒ cÊu tróc, Ala kh¸c víi Gly lµ nã cã mét nhãm methyl (CH3-). Khi Ala liªn kÕt víi mét ph©n tö thø ba, lùc Van der Waals xung quanh nhãm (CH3-) cã møc n¨ng l−îng ~1 kcal/mol. N¨ng l−îng nµy kh«ng xuÊt hiÖn trong tr−êng hîp ph©n tö thø ba liªn kÕt víi Gly. Tuy vËy, tõ ph−¬ng tr×nh 1.4, chóng ta thÊy r»ng sù chªnh lÖch nhá nµy chØ t¹o ra mét hÖ sè 1/6 chªnh lÖch trong xu h−íng liªn kÕt cña Ala vµ Gly. Nh−ng ngoµi yÕu tè trªn ®©y, cßn cã mét yÕu tè n÷a ®ã lµ c¸c ph©n tö n−íc cã lùc ®Èy Ala ra xa (lùc kÞ n−íc) m¹nh h¬n nhiÒu so víi Gly (bëi v× nhãm CH3 cña Ala cã tÝnh kh«ng t−¬ng ®ång víi m¹ng l−íi c¸c ph©n tö n−íc). Xu h−íng c¸c ph©n tö n−íc ®Èy Ala ra xa ®· lµm axit amin nµy cµng dÔ tiÕp cËn tíi ph©n tö thø ba h¬n. Lùc kÞ n−íc chªnh lÖch gi÷a Ala vµ Gly trong tr−êng hîp nµy −íc l−îng ®¹t kho¶ng 2 - 3 kcal/mol. Víi vÝ dô nµy, chóng ta ®i ®Õn mét nhËn ®Þnh lµ sù chªnh lÖch møc n¨ng l−îng trong liªn kÕt gi÷a nh÷ng ph©n tö gièng nhau nhÊt ®Õn mét ph©n tö thø ba vµo kho¶ng 2 - 3 kcal/mol. Sù chªnh lÖch nµy bÞ triÖt tiªu trong m«i tr−êng kh«ng cã n−íc. Thùc tÕ cho thÊy møc chªnh lÖch nµy th−êng vµo kho¶ng 3 - 4 kcal/mol. 8

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc 1.2.12. Gi¸ trÞ ∆G trong kho¶ng 2 – 5 kcal/mol chiÕm −u thÕ Nh− ph©n tÝch ë trªn, møc n¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng mét liªn kÕt thø cÊp (2 - 5 kcal/mol) lµ ®ñ ®Ó ®¶m b¶o mét ph©n tö cã xu h−íng liªn kÕt æn ®Þnh víi mét nhãm chän läc cña ph©n tö kh¸c. Tuy vËy, sù chªnh lÖch n¨ng l−îng nµy lµ kh«ng ®ñ ®Ó h×nh thµnh cÊu tróc m¹ng bÒn v÷ng. V× vËy, trong m«i tr−êng néi bµo kh«ng bao giê cã sù “tinh thÓ hãa”, hoÆc ®iÒu nµy chØ cã thÓ x¶y ra khi møc n¨ng l−îng cña c¸c liªn kÕt thø cÊp ®−îc t¨ng lªn nhiÒu lÇn. Nh−ng nÕu sù chªnh lÖch n¨ng l−îng (∆G) lµ lín h¬n th× c¸c liªn kÕt thø cÊp ®«i khi bÞ ®øt g·y, dÉn ®Õn sù khuÕch t¸n chËm cña c¸c ph©n tö. §iÒu nµy kh«ng phï hîp víi sù tån t¹i cña tÕ bµo. 1.2.13. Sù t−¬ng t¸c gi÷a enzym víi c¬ chÊt th−êng lµ liªn kÕt yÕu C¸c enzym vèn cã tÝnh liªn kÕt chän läc, cã ¸i lùc ®Æc biÖt cao víi c¬ chÊt ®Æc thï cña chóng. Trong sù kÕt hîp ®ã, c¸c liªn kÕt yÕu lµ ®éng lùc c¬ b¶n. Bëi c¸c enzym xóc t¸c c¶ hai chiÒu cña mét ph¶n øng hãa häc, nªn chóng th−êng ph¶i cã ¸i lùc ®Æc tr−ng víi hai “nhãm ph©n tö” thuéc hai chiÒu cña ph¶n øng. §«i khi, ng−êi ta cã thÓ ®o ®−îc h»ng sè Kcb trong liªn kÕt gi÷a mét enzym víi c¬ chÊt cña nã (ph−¬ng tr×nh 1.4), qua ®ã tÝnh ®−îc gi¸ trÞ ∆G khi h×nh thµnh liªn kÕt. Thùc tÕ tÝnh to¸n cho thÊy c¸c t−¬ng t¸c enzym-c¬ chÊt cã gi¸ trÞ ∆G n»m trong kho¶ng 5 - 10 kcal/mol lu«n ®i kÌm víi sù xuÊt hiÖn mét sè liªn kÕt thø cÊp. Mét ®iÓm ®¸ng l−u ý n÷a lµ gi¸ trÞ ∆G trong c¸c liªn kÕt enzym – c¬ chÊt kh«ng bao giê qu¸ cao, tøc lµ sù h×nh thµnh vµ ph©n t¸ch cña phøc hÖ enzym – c¬ chÊt diÔn ra mét c¸ch liªn tôc do t¸c ®éng cña c¸c chuyÓn ®éng nhiÖt ngÉu nhiªn. §iÒu nµy còng gióp gi¶i thÝch t¹i sao hÇu hÕt c¸c enzym cã thêi gian biÓu hiÖn chøc n¨ng rÊt ng¾n (®«i khi ®¹t tèc ®é 106 lÇn / gi©y). NÕu nh− c¸c enzym liªn kÕt víi c¬ chÊt, vµ ®Æc biÖt lµ víi s¶n phÈm cña ph¶n øng, b»ng nh÷ng liªn kÕt m¹nh h¬n th× ho¹t ®éng xóc t¸c cña chóng sÏ chËm ®i. 1.2.14. HÇu hÕt c¸c t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö tham gia c¸c qu¸ tr×nh di truyÒn (ADN, ARN, protein) ®−îc ®iÒu hßa bëi c¸c liªn kÕt yÕu Chóng ta sÏ thÊy trong c¸c phÇn sau cña gi¸o tr×nh nµy, sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc, trong ®ã ®Æc biÖt lµ sù t−¬ng t¸c ADN-protein vµ protein-protein lµ c¬ chÕ chñ yÕu gióp tÕ bµo tiÕp nhËn vµ ®¸p øng l¹i c¸c tÝn hiÖu sinh häc ngo¹i bµo còng nh− néi bµo. §iÒu ®ã biÓu hiÖn trong tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen, sao chÐp vµ söa ch÷a ADN, c¬ chÕ t¸i tæ hîp gi÷a c¸c gen, còng nh− nhiÒu ho¹t ®éng kh¸c n÷a trong chu tr×nh tÕ bµo. T−¬ng tù nh− mèi t−¬ng t¸c gi÷a enzym vµ c¬ chÊt, nh÷ng liªn kÕt yÕu chiÕm −u thÕ trong nh÷ng t−¬ng t¸c nµy. MÆc dï møc n¨ng l−îng cña mçi liªn kÕt yÕu ®¬n lÎ lµ thÊp, nh−ng sù kÕt hîp cña nhiÒu liªn kÕt yÕu lµ ®ñ ®Ó gióp c¸c ph©n tö cã ®−îc sù liªn kÕt æn ®Þnh vµ ph¶n ¸nh tÝnh ®Æc hiÖu cao trong sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ®¹i ph©n tö. 1.3. TÇm quan träng vµ ®Æc ®iÓm cña c¸c liªn kÕt cao n¨ng ë trªn, chóng ta ®· ®Ò cËp ®Õn sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt yÕu trªn quan ®iÓm nhiÖt ®éng häc. Theo ®ã, chóng ta biÕt r»ng c¸c liªn kÕt yÕu cã xu h−íng xuÊt hiÖn khi ∆G < 0. Xu h−íng nµy còng ®óng ®èi víi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ. Nh−ng thùc tÕ, trong tÕ bµo nhiÒu liªn kÕt céng hãa trÞ d−êng nh− ®−îc h×nh thµnh kh«ng tu©n theo nguyªn lý cña nhiÖt ®éng häc, trong ®ã ®Æc biÖt lµ c¸c ph¶n øng kÕt nèi c¸c ph©n tö nhá ®Ó h×nh thµnh c¸c ®¹i ph©n tö cã kÝch th−íc lín. Sù h×nh thµnh nh÷ng liªn kÕt nµy th−êng lµm t¨ng møc n¨ng l−îng tù do. Tho¹t tiªn, cã ng−êi cho r»ng tÕ bµo lµ hÖ thèng duy nhÊt cã thÓ ®i ng−îc l¹i c¸c nguyªn lý nhiÖt ®éng häc vµ ®iÒu nµy tõng ®−îc xem nh− mét “bÝ Èn cña sù sèng”. Giê ®©y, chóng ta ®· biÕt c¸c qu¸ tr×nh sinh tæng hîp kh«ng hÒ “®i ng−îc” c¸c nguyªn lý nhiÖt ®éng häc; thay vµo ®ã, nã diÔn ra trªn c¬ së nh÷ng ph¶n øng kh¸c biÖt 9

§inh §oµn Long víi dù ®o¸n ban ®Çu. Ch¼ng h¹n nh− c¸c axit nucleic kh«ng ph¶i ®−îc h×nh thµnh tõ sù kÕt tô cña c¸c nucleoside monophosphate; hay glycogen kh«ng ph¶i ®−îc h×nh thµnh trùc tiÕp tõ glucose; còng nh− protein kh«ng ph¶i lµ sù hîp nhÊt thuÇn tóy cña c¸c axit amin. Thay vµo ®ã, c¸c ph©n tö tiÒn chÊt th−êng dïng n¨ng l−îng tõ ATP (adenosine triphosphate) hoÆc c¸c hîp chÊt t−¬ng ®−¬ng ®Ó chuyÓn hãa chóng thµnh c¸c tiÒn chÊt n¨ng l−îng cao. Nh÷ng tiÒn chÊt nµy sau ®ã (víi sù cã mÆt cña enzym ®Æc hiÖu) míi cã thÓ kÕt hîp víi nhau tù ph¸t ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c ®¹i ph©n tö. ë ®©y chóng ta sÏ xem sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt peptide (ë protein) vµ phosphodieste (ë c¸c axit nucleic) trªn c¬ së nguyªn lý nhiÖt ®éng häc. Tuy nhiªn, tr−íc ®ã chóng ta ®Ò cËp ®Õn mét sè ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña liªn kÕt céng hãa trÞ. 1.3.1. C¸c ph©n tö cao n¨ng th−êng kÐm bÒn Cã sù kh¸c biÖt vÒ møc n¨ng l−îng tù do trong c¸c ph©n tö v× c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ kh¸c nhau cã møc n¨ng l−îng kh«ng gièng nhau. VÝ dô: liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a H vµ O m¹nh h¬n liªn kÕt gi÷a chÝnh c¸c nguyªn tö nµy víi nhau. KÕt qu¶ lµ sù h×nh thµnh liªn kÕt O-H tõ c¸c ph©n tö O-O vµ H-H sÏ gi¶i phãng ra n¨ng l−îng tù do. Trªn c¬ së ®ã, trong mét hçn hîp cã nång ®é oxy vµ hydro ®ñ cao, chóng lu«n cã xu h−íng chuyÓn thµnh n−íc. Nh− vËy, mét ph©n tö sÏ cã n¨ng l−îng tù do lín h¬n so víi khi chÝnh c¸c nguyªn tö kh¸c lo¹i cña nã tù liªn kÕt víi nhau bëi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ yÕu. D−êng nh− ®iÒu nµy lµ nghÞch lý, nh−ng thùc tiÔn cho thÊy lµ c¸c ph©n tö ®−îc h×nh thµnh dùa trªn c¸c liªn kÕt cµng m¹nh th× n¨ng l−îng tù do ®−îc gi¶i phãng cµng Ýt. Ng−îc l¹i, nh÷ng ph©n tö cã vai trß dinh d−ìng (cho n¨ng l−îng) tèt nhÊt chÝnh lµ c¸c ph©n tö mang c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ yÕu, v× chóng th−êng kÐm bÒn vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc. VÝ dô nh− glucose lµ mét ph©n tö dinh d−ìng lý t−ëng v× khi bÞ oxy hãa thµnh n−íc vµ CO2, n¨ng l−îng liªn kÕt cña nã bÞ gi¶m ®¸ng kÓ. Ng−îc l¹i, chÝnh CO2 vèn cã hai liªn kÕt ®«i rÊt m¹nh gi÷a C vµ O kh«ng thÓ dïng lµm chÊt dinh d−ìng ë ®éng vËt. NÕu kh«ng cã n¨ng l−îng tõ ATP, CO2 kh«ng thÓ tù chuyÓn hãa ®−îc thµnh c¸c chÊt h÷u c¬ phøc t¹p h¬n, kÓ c¶ khi cã mÆt c¸c enzym. ë thùc vËt, së dÜ CO2 cã thÓ ®−îc dïng lµm nguån cacbon v× n¨ng l−îng ®−îc cung cÊp tõ c¸c l−îng tö ¸nh s¸ng thu ®−îc qua qu¸ tr×nh quang hîp vµ ®−îc chuyÓn hãa thµnh ATP. Khi kh«ng cã chÊt xóc t¸c, c¸c ph¶n øng hãa häc mµ ë ®ã c¸c ph©n tö ®−îc chuyÓn hãa thµnh c¸c ph©n tö kh¸c cã n¨ng l−îng liªn kÕt thÊp h¬n còng kh«ng x¶y ra mét c¸ch ®¸ng kÓ ë nhiÖt ®é sinh lý b×nh th−êng. Bëi v×, mét liªn kÕt céng hãa trÞ dï lµ yÕu nhÊt còng ®ñ m¹nh ®Ó hiÕm khi bÞ ®øt g·y bëi c¸c chuyÓn ®éng nhiÖt trong tÕ bµo. NÕu kh«ng cã chÊt xóc t¸c, mét liªn kÕt céng hãa trÞ chØ bÞ ph¸ vì khi n¨ng l−îng ®−îc cung cÊp ®ñ ®Ó ®Èy c¸c nguyªn tö liªn kÕt ra khái nhau. Nh−ng khi c¸c nguyªn tö nµy bÞ ®Èy mét phÇn khái nhau, chóng ngay lËp tøc cã thÓ liªn kÕt víi c¸c nguyªn tö míi ®Ó h×nh thµnh nh÷ng liªn kÕt m¹nh h¬n. Trong qu¸ tr×nh t¸i kÕt hîp nh− vËy, n¨ng l−îng gi¶i phãng ra sÏ b»ng tæng n¨ng l−îng tù do ®−îc cung cÊp lµm ®øt g·y liªn kÕt cò vµ n¨ng l−îng chªnh lÖch gi÷a liªn kÕt cò vµ liªn kÕt míi (h×nh 1.3). 10

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc N¨ng l−îng cÇn cung cÊp ®Ó ph¸ Tr¹ng th¸i ho¹t hãa vì mét liªn kÕt céng hãa trÞ N¨ng l−îng tù do N¨ng l−îng ®−îc gäi lµ n¨ng l−îng ho¹t ho¹t hãa hãa. N¨ng l−îng ho¹t hãa ∆G cña ph¶n øng th−êng thÊp h¬n n¨ng l−îng cña liªn kÕt gèc, bëi sù s¾p xÕp l¹i c¸c ph©n tö th−êng kh«ng t¹o nªn c¸c nguyªn tö tù do hoµn toµn. Thay vµo ®ã, sù va ch¹m cña hai ph©n tö tham gia ph¶n øng th−êng dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét phøc hÖ t¹m thêi ë tr¹ng th¸i ho¹t hãa. ë TiÕn tr×nh ph¶n øng tr¹ng th¸i nµy, sù tiÕp xóc gÇn H×nh 1.3. N¨ng l−îng ho¹t hãa cña ph¶n øng hãa häc: nhau cña hai ph©n tö lµm c¸c (A - B) + (C – D) → (A – D) + (C – B). Ph¶n øng nµy ®i kÌm liªn kÕt kh¸c trë nªn kÐm æn ®Þnh vµ n¨ng l−îng cÇn ®Ó ph¸ víi sù gi¶m ®i cña n¨ng l−îng tù do (∆G < 0) vì liªn kÕt lµ thÊp h¬n so víi khi liªn kÕt cã mÆt trong mét ph©n tö ë tr¹ng th¸i tù do. V× vËy, hÇu hÕt c¸c ph¶n øng céng hãa trÞ trong tÕ bµo ®−îc m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh sau: (A – B) + (C – D) → (A – D) + (B – C) (ph−¬ng tr×nh 1.5) Sù biÓu diÔn t¸c dông khèi l−îng cña ph¶n øng nh− sau: Kcb = ([A – D] x [B – C]) / ([A – D] x [B – C]) (ph−¬ng tr×nh 1.6) trong ®ã [A – D], [B – C] lµ nång ®é c¸c chÊt tham gia ph¶n øng tÝnh theo mol/L, vµ gi¸ trÞ Kcb quan hÖ víi ∆G qua ph−¬ng tr×nh 1.4. Do n¨ng l−îng ho¹t hãa th−êng ®−îc ®ßi hái rÊt cao (kho¶ng 20 - 30 kcal/mol), nªn tr¹ng th¸i ho¹t hãa kh«ng bao giê tù xuÊt hiÖn trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é sinh lý, hay cã thÓ nãi ®©y chÝnh lµ “rµo c¶n” kh«ng cho c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ thay ®æi tù ph¸t trong tÕ bµo. Nh÷ng rµo c¶n nµy cã ý nghÜa ®Æc biÖt quan träng, v× sù sèng kh«ng thÓ cã nÕu kh«ng cã nã. Lóc ®ã, tÊt c¶ c¸c nguyªn tö sÏ chØ tån t¹i ë d¹ng cã møc n¨ng l−îng thÊp nhÊt cã thÓ, dÉn ®Õn viÖc n¨ng l−îng sÏ kh«ng ®−îc dù tr÷ cho c¸c ho¹t ®éng tiÕp sau. Ng−îc l¹i, sù sèng còng kh«ng thÓ cã nÕu thiÕu c¬ chÕ lµm gi¶m n¨ng l−îng ho¹t hãa cña c¸c ph¶n øng mét c¸ch ®Æc hiÖu. §iÒu nµy b¾t buéc ph¶i x¶y ra bëi sù ph¸t triÓn cña tÕ bµo cÇn diÔn ra ë mét tèc ®é ®ñ nhanh vµ ph¶i tr¸nh ®−îc sù t¸c ®éng cña c¸c lùc ngÉu nhiªn (nh− chiÕu x¹ UV hay ion hãa) cã thÓ lµm ph¸ vì c¸c liªn kÕt hãa häc. 1.3.2. Enzym cã vai trß lµm gi¶m n¨ng l−îng ho¹t hãa cña c¸c ph¶n øng C¸c enzym ®Æc biÖt thiÕt yÕu ®èi víi sù sèng. Chøc n¨ng cña chóng lµ lµm t¨ng tèc ®é c¸c ph¶n øng hãa häc cÇn cho sù tån t¹i cña tÕ bµo, b»ng viÖc lµm gi¶m n¨ng l−îng ho¹t hãa tíi møc mµ c¸c chuyÓn ®éng nhiÖt lµ ®ñ cho sù s¾p xÕp l¹i cña c¸c ph©n tö (h×nh 1.4). Khi cã mÆt mét enzym ®Æc thï, “rµo c¶n” ng¨n sù x¶y ra cña c¸c ph¶n øng kh«ng cßn tån t¹i, ngay c¶ khi c¸c ph©n tö cã n¨ng l−îng tù do thÊp nhÊt. C¸c enzym kh«ng bao giê lµm ¶nh h−ëng ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng, nghÜa lµ chóng chØ ®¬n thuÇn lµm t¨ng tèc ®é ph¶n øng. NÕu sù c©n b»ng vÒ nhiÖt ®éng häc lµ kh«ng phï hîp ®èi víi sù h×nh thµnh mét ph©n tö nµo ®ã, th× cho dï cã mÆt enzym, ph©n tö ®ã kh«ng bao giê ®−îc tÝch lòy. Trong tÕ bµo, hÇu nh− mäi ph¶n øng ®Òu ®−îc xóc t¸c bëi c¸c enzym ®Æc thï. Nªn, viÖc biÕt møc n¨ng l−îng tù do cña c¸c ph©n tö kh«ng nãi ®−îc g× vÒ kh¶ n¨ng ph¶n øng x¶y 11

N¨ng l−îng tù do§inh §oµn Long ra. §iÒu quan träng lµ tèc ®é cña c¸c ph¶n øng. Khi tÕ bµo cã mét enzym nµo ®ã, th× ph¶n øng t−¬ng øng mµ enzym ®ã xóc t¸c sÏ diÔn ra nhanh vµ trë nªn quan träng. Tr¹ng th¸i ho¹t hãa N¨ng l−îng ho¹t hãa cña ph¶n øng khi kh«ng cã enzym N¨ng l−îng ho¹t hãa cña ph¶n øng khi cã enzym TiÕn tr×nh ph¶n øng H×nh 1.4. Enzym lµm t¨ng tèc ®é ph¶n øng nhê lµm gi¶m n¨ng l−îng ho¹t hãa Chó ý lµ ∆G kh«ng ®æi, v× tr¹ng th¸i c©n b»ng kh«ng ®æi dï cã mÆt hay v¾ng mÆt enzym 1.3.3. N¨ng l−îng tù do trong c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Nguyªn lý nhiÖt ®éng häc ph¸t biÓu r»ng ®iÓm ®Æc tr−ng cña tÊt c¶ c¸c ph¶n øng hãa sinh lµ nã diÔn ra cïng víi sù gi¶m ®i cña n¨ng l−îng tù do. Chóng ta dÔ dµng nhËn thÊy ®iÒu nµy trong c¸c ph¶n øng dÞ hãa. ë ®ã, c¸c ph©n tö dinh d−ìng kÐm bÒn vÒ nhiÖt ®éng häc lu«n ®−îc chuyÓn hãa thµnh c¸c hîp chÊt bÒn v÷ng h¬n (nh− CO2vµ H2O) cïng víi mét l−îng nhiÖt tho¸t ra. C¸c ph¶n øng ph©n gi¶i sinh häc cã hai ®Æc ®iÓm c¬ b¶n lµ: (1) h×nh thµnh nªn c¸c chÊt h÷u c¬ cã kÝch th−íc nhá h¬n, vµ (2) gi÷ l¹i mét phÇn ®¸ng kÓ n¨ng l−îng tù do cña chÊt dinh d−ìng ban ®Çu phôc vô cho ho¹t ®éng sèng. §Æc ®iÓm thø hai ®−îc thùc hiÖn th«ng qua viÖc kÕt hîp mét sè b−íc trong qu¸ tr×nh ph©n gi¶i víi sù h×nh thµnh c¸c ph©n tö cao n¨ng nh− ATP ®Ó tÝch lòy n¨ng l−îng tù do. Kh«ng ph¶i mäi n¨ng l−îng tù do cã trong chÊt dinh d−ìng ®Òu ®−îc chuyÓn hãa thµnh n¨ng l−îng trong c¸c ph©n tö cao n¨ng. Bëi v×, nÕu ®iÒu ®ã x¶y ra, th× kh«ng cã sù gi¶m ®i møc n¨ng l−îng tù do, tøc lµ kh«ng cã ®éng lùc cho viÖc ph¸ vì c¸c ph©n tö dinh d−ìng trªn c¬ së nguyªn lý nhiÖt ®éng häc. Thay vµo ®ã, tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh ph©n gi¶i sinh häc ®Òu chuyÓn mét phÇn lín n¨ng l−îng tù do cã trong c¸c ph©n tö dinh d−ìng thµnh nhiÖt n¨ng hoÆc entr«pi. VÝ dô nh− trong tÕ bµo, chØ kho¶ng 40% n¨ng l−îng tù do cña glucose ®−îc chuyÓn vµo c¸c ph©n tö cao n¨ng, phÇn cßn l¹i th× bÞ “tiªu ®i” ë d¹ng nhiÖt n¨ng vµ entr«pi. Mét ph©n tö cao n¨ng cã thÓ bÞ ®øt g·y vµ gi¶i phãng mét l−îng lín n¨ng l−îng tù do (trªn 5 kcal/mol) bëi c¸c ph©n tö n−íc, qua qu¸ tr×nh gäi lµ thñy ph©n. C¸c liªn kÕt bÞ ph¸ vì trong qu¸ tr×nh thñy ph©n c¸c hîp chÊt cao n¨ng vµ sinh ra ∆G cã gi¸ trÞ ©m lín ®−îc gäi lµ liªn kÕt cao n¨ng. Dï thùc tÕ ®©y kh«ng ph¶i lµ n¨ng l−îng liªn kÕt mµ lµ n¨ng l−îng tù do ®−îc gi¶i phãng ra khi c¸c liªn kÕt bÞ ph¸ vì, nh−ng theo thãi quen chóng ta dïng thuËt ng÷ “liªn kÕt cao n¨ng” cho thuËn tiÖn vµ kÝ hiÖu chóng b»ng dÊu “~”. 12

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc B¶ng 1.4. Mét sè nhãm liªn kÕt cao n¨ng quan träng trong sinh häc Nhãm liªn kÕt CÊu tróc ph©n tö Ph¶n øng ∆G cña ph¶n øng Pyrophosphate ~ ~ <=>  +  (kcal/mol) ∆G = - 6 Nucleoside diphosphate Adenosine - ~ ADP <=> AMP +  ∆G = - 6 (NDP) (ADP) Nucleoside triphosphate Adenosine - ~~ ATP <=> ADP +  ∆G = - 7 (NTP) ATP <=> AMP + ~ ∆G = - 8 (ATP) PEP <=> pyruvate +  ∆G = - 12 Enol phosphate O- O C C O ~ CH2 Phosphoenolpyruvate (PEP) Aminoacyl adenylate Adenosine NH3- AMP~AA <=> AMP + AA ∆G = - 7 ~O R CC OH O Guanidinium phosphate H2C C creatine~P <=> creatine + P ∆G = - 8 N NHO~- H3C C NH creatine phosphate Thioeste O Acetyl CoA <=> CoA-SH + acetate ∆G = - 8 H3C C S CoA Acetyl - CoA N¨ng l−îng thñy ph©n cña mét liªn kÕt cao n¨ng trung b×nh (7 kcal/mol) nhá h¬n nhiÒu so víi n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phãng ra khi ph©n gi¶i hoµn toµn mét ph©n tö glucose qua mét b−íc trùc tiÕp (688 kcal/mol). Nh−ng trong tÕ bµo, glucose kh«ng bao giê ®−îc ph©n gi¶i hoµn toµn qua mét b−íc (v× ®iÒu nµy kh«ng hiÖu qu¶ cho sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt cao n¨ng). Thay vµo ®ã, con ®−êng ph©n gi¶i glucose diÔn ra qua nhiÒu b−íc kh¸c nhau. Hîp chÊt cao n¨ng quan träng nhÊt trong sinh häc lµ ATP. Nã ®−îc h×nh thµnh tõ ADP (adenosine diphosphate) vµ nhãm phosphate v« c¬ () víi viÖc sö dông n¨ng l−îng thu ®−îc hoÆc tõ c¸c ph¶n øng ph©n gi¶i hoÆc tõ l−îng tö ¸nh s¸ng mÆt trêi qua quang hîp. Tuy vËy, ngoµi ATP cßn cã nhiÒu hîp chÊt cao n¨ng quan träng kh¸c n÷a. Mét sè ®−îc h×nh thµnh trùc tiÕp tõ c¸c ph¶n øng ph©n gi¶i; mét sè kh¸c ®−îc h×nh thµnh tõ mét phÇn n¨ng l−îng tù do cña ATP. B¶ng 1.4 liÖt kª mét sè lo¹i liªn kÕt cao n¨ng quan träng; tÊt c¶ ®Òu liªn quan ®Õn c¸c nguyªn tö phosphate () vµ/hoÆc l−u huúnh (S). Nhãm pyrophosphate cao n¨ng cña ATP h×nh thµnh tõ sù kÕt hîp cña hai nhãm phosphate (~). §©y lµ d¹ng liªn kÕt cao n¨ng duy nhÊt cña phosphate. C¸c liªn kÕt cao n¨ng liªn 13

§inh §oµn Long quan ®Õn c¸c nguyªn tö l−u huúnh còng cã vai trß quan träng ®èi víi c¸c ho¹t ®éng sinh häc t−¬ng tù nh− c¸c liªn kÕt cao n¨ng phosphate. Ph©n tö cao n¨ng quan träng nhÊt chøa S lµ Acetyl-CoA. Ph©n tö nµy lµ nguån cung cÊp n¨ng l−îng chñ yÕu cho c¸c qu¸ tr×nh sinh tæng hîp c¸c axit bÐo. Møc ®é biÕn ®éng réng cña ∆G (b¶ng 1.4) cã nghÜa lµ kh¸i niÖm “cao n¨ng” ®«i khi khã x¸c ®Þnh. Tiªu chÝ th−êng dïng ®Ó x¸c ®Þnh mét liªn kÕt cao n¨ng lµ xem sù thñy ph©n liªn kÕt ®ã cã ®i kÌm víi mét qu¸ tr×nh sinh tæng hîp quan träng hay kh«ng. Ch¼ng h¹n nh−, ∆G gi¶i phãng ra tõ thñy ph©n glucose-6-phosphate lµ kho¶ng 3 - 4 kcal/mol, nh−ng gi¸ trÞ ∆G nµy kh«ng ®ñ ®Ó qu¸ tr×nh tæng hîp c¸c liªn kÕt peptide cã thÓ x¶y ra hiÖu qu¶. V× vËy, liªn kÕt phosphate-este nµy kh«ng ®−îc xem lµ liªn kÕt cao n¨ng. 1.3.4. C¸c liªn kÕt cao n¨ng trong c¸c ph¶n øng sinh tæng hîp Sù h×nh thµnh c¸c ®¹i ph©n tö tõ c¸c ph©n tö ®¬n ph©n cÇn bæ sung n¨ng l−îng. Còng gièng nh− sù ph©n gi¶i sinh häc, qu¸ tr×nh sinh tæng hîp còng kh«ng thÓ diÔn ra nÕu kh«ng cã sù gi¶m ®i n¨ng l−îng tù do tæng sè. §èi víi c¸c qu¸ tr×nh sinh tæng hîp, nguån n¨ng l−îng nµy ®−îc cung cÊp tõ c¸c hîp chÊt cao n¨ng. Sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt míi trong c¸c ph¶n øng sinh tæng hîp lu«n ®i kÌm víi sù ®øt g·y cña c¸c liªn kÕt cao n¨ng, do ®ã n¨ng l−îng tù do tæng sè gi¶m ®i. V× c¸c ho¹t ®éng sèng diÔn ra liªn tôc, nªn thêi gian tån t¹i trong tÕ bµo cña c¸c c¸c liªn kÕt cao n¨ng lµ rÊt ng¾n. HÇu nh− ngay sau khi h×nh thµnh, chóng lËp tøc bÞ ph©n gi¶i ®Ó t¹o ®éng lùc cho c¸c ph¶n øng kh¸c x¶y ra. Tuy vËy, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c b−íc cña mét qu¸ tr×nh sinh tæng hîp ®Òu cÇn sù ®øt g·y cña c¸c liªn kÕt cao n¨ng. Th«ng th−êng, chØ mét hoÆc mét sè b−íc cÇn ®Õn sù ®øt g·y nh÷ng liªn kÕt cao n¨ng nh− vËy. §ã lµ v× ®«i khi ∆G ®−îc t¹o ra tõ mét sù ®øt g·y liªn kÕt cao n¨ng lµ ®ñ cho nhiÒu ph¶n øng sinh tæng hîp diÔn ra. ThËm chÝ ë mét sè b−íc cña qu¸ tr×nh sinh tæng hîp, ∆G cã thÓ cã gi¸ trÞ d−¬ng. Nh−ng gi¸ trÞ ∆G d−¬ng nµy kh«ng cã nhiÒu ý nghÜa, bëi ë c¸c b−íc ph¶n øng tiÕp theo, sù ®øt g·y c¸c liªn kÕt cao n¨ng kh¸c sÏ “bï” l¹i gi¸ trÞ n¨ng l−îng ®ã. Còng gièng nh− vËy, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c b−íc cña qu¸ tr×nh ph©n gi¶i ®Òu t¹o ra c¸c liªn kÕt cao n¨ng. VÝ dô nh−: chØ cã hai b−íc trong qu¸ tr×nh thñy ph©n glucose s¶n sinh ATP. §ã lµ ch−a nãi ®Õn mét sè b−íc cña qu¸ tr×nh ph©n gi¶i thËm chÝ cßn cÇn n¨ng l−îng tõ viÖc ®øt g·y c¸c liªn kÕt cao n¨ng. Ngay chÝnh trong qu¸ tr×nh thñy ph©n glucose, ®Ó t¹o ra 4 ph©n tö ATP, ë mét sè b−íc nã cÇn sö dông 2 ph©n tö ATP. TÊt nhiªn, tæng sè liªn kÕt cao n¨ng ®−îc h×nh thµnh ph¶i nhiÒu h¬n tæng sè liªn kÕt bÞ tiªu thô. 1.3.4.1. Ph¶n øng thñy ph©n c¸c liªn kÕt peptide diÔn ra tù ph¸t Sù h×nh thµnh mét liªn kÕt peptide (vµ mét ph©n tö n−íc) tõ hai axit amin ®ßi hái mét ∆G cã gi¸ trÞ tõ 1 ®Õn 4 kcal/mol. Gi¸ trÞ ∆G d−¬ng cho chóng ta biÕt lµ c¸c chuçi polypeptide kh«ng thÓ h×nh thµnh tù ph¸t tõ c¸c axit amin tù do. Ngoµi ra, chóng ta còng cÇn chó ý lµ trong tÕ bµo, n−íc lµ ph©n tö phæ biÕn h¬n rÊt nhiÒu lÇn so víi c¸c ph©n tö kh¸c (th−êng Ýt nhÊt lµ nhiÒu h¬n 100 lÇn). Do vËy, tÊt c¶ c¸c ph¶n øng c©n b»ng cã sù tham gia cña n−íc ®Òu cã xu h−íng diÔn ra theo chiÒu tiªu thô c¸c ph©n tö n−íc. §iÒu nµy cã thÓ nhËn thÊy tõ kh¸i niÖm vÒ Kcb, ch¼ng h¹n ®èi víi ph¶n øng h×nh thµnh liªn kÕt peptide sau: axit amin A + axit amin B → peptide (A – B) + H2O (ph−¬ng tr×nh 1.7) Ph¶n øng nµy cã h»ng sè c©n b»ng lµ: Kcb = ([A – B] x [H2O]) / ([A] x [B]) (ph−¬ng tr×nh 1.8) trong ®ã, nång ®é c¸c chÊt (trong dÊu [ ]) ®−îc tÝnh theo mol/L. Nh− vËy, ë gi¸ trÞ Kcb nhÊt ®Þnh, nÕu l−îng n−íc cµng cao th× sè liªn kÕt peptide cµng thÊp. Râ rµng lµ nång ®é c¸c hîp chÊt cã vai trß quyÕt ®Þnh chiÒu ph¶n øng x¶y ra. 14

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Trong thùc tÕ, sù thñy ph©n liªn kÕt peptide cã thÓ x¶y ra ngay khi ∆G chØ vµo kho¶ng - 3 kcal/mol. Tõ lý thuyÕt trªn, cã thÓ thÊy trong dung dÞch, protein lµ nhãm hîp chÊt kh«ng bÒn. NÕu thêi gian ®ñ dµi, c¸c ph©n tö protein cã thÓ bÞ thñy ph©n mét c¸ch tù ph¸t thµnh c¸c axit amin tù do. Nh−ng trong tÕ bµo, nÕu kh«ng cã c¸c enzym, qu¸ tr×nh thñy ph©n protein diÔn ra rÊt chËm vµ cã thÓ g©y nªn nh÷ng hiÖu øng kh«ng thuËn lîi ®èi víi qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt. V× vËy, trong ®iÒu kiÖn sinh lý, mét khi ®· h×nh thµnh, c¸c protein th−êng ®−îc duy tr× t−¬ng ®èi æn ®Þnh ®Õn khi nã ®−îc ph©n gi¶i chñ yÕu nhê t¸c ®éng cña c¸c enzym. 1.3.4.2. Sù kÕt hîp gi÷a ∆G d−¬ng vµ ∆G ©m N¨ng l−îng tù do ph¶i ®−îc bæ sung vµo c¸c axit amin tr−íc khi chóng tæ hîp víi nhau thµnh protein. §iÒu nµy diÔn ra nhê vai trß cña ATP lµ chÊt cho n¨ng l−îng. ATP chøa ba nhãm phosphate g¾n vµo gèc adenosine (Adenosine-~~). Khi mét hoÆc hai nhãm ~ bÞ ®øt g·y bëi sù thñy ph©n, n¨ng l−îng tù do sÏ ®−îc gi¶i phãng mét l−îng ®¸ng kÓ: Adenosine-~~ + H2O → Adenosine-~ +  (∆G = - 7 kcal/mol) (ph−¬ng tr×nh 1.9) Adenosine-~~ + H2O → Adenosine- +  ~ (∆G = - 8 kcal/mol) (ph−¬ng tr×nh 1.10) Adenosine-~ + H2O → Adenosine- +  (∆G = - 6 kcal/mol) (ph−¬ng tr×nh 1.11) TÊt c¶ c¸c ph¶n øng lµm ®øt g·y ®¹i ph©n tö thµnh c¸c ®¬n ph©n tö lu«n cã gi¸ trÞ ∆G ©m vµ trÞ tuyÖt ®èi lín h¬n trÞ tuyÖt ®èi cña ∆G d−¬ng h×nh thµnh trong ph¶n øng tæng hîp diÔn ra theo chiÒu ng−îc l¹i. §iÓm mÊu chèt cña c¸c ph¶n øng sinh tæng hîp (cã gi¸ trÞ ∆G d−¬ng) lµ chóng lu«n ®i kÌm víi sù ®øt g·y cña c¸c liªn kÕt cao n¨ng (vèn cã trÞ tuyÖt ®èi cña ∆G ©m lµ lín h¬n). Do ®ã, trong tæng hîp protein, sù h×nh thµnh mét liªn kÕt peptide (∆G = + 0,5 kcal/mol) lu«n ®i kÌm víi ph¶n øng ®øt g·y ATP thµnh AMP vµ nhãm ~ (∆G = - 8 kcal/mol). KÕt qu¶ lµ ∆G tæng sè b»ng – 7,5 kcal/mol, thõa ®ñ ®Ó tr¹ng th¸i c©n b»ng ®Èy ph¶n øng vÒ h−íng tæng hîp c¸c liªn kÕt peptide (h×nh thµnh ph©n tö protein). 1.3.5. Sù ho¹t hãa c¸c tiÒn chÊt cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Khi ATP bÞ thñy ph©n thµnh ADP vµ , hÇu hÕt n¨ng l−îng tù do tho¸t ra ë d¹ng nhiÖt. Do nhiÖt n¨ng kh«ng thÓ dïng ®Ó h×nh thµnh c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ, nªn mét ph¶n øng “kÐp” (xÐt vÒ n¨ng l−îng) kh«ng chØ ®¬n thuÇn lµ sù kÕt hîp cña mét ph¶n øng cã gi¸ trÞ ∆G d−¬ng víi mét ph¶n øng cã cã gi¸ trÞ ∆G ©m. Thay vµo ®ã, ph¶n øng kÐp lu«n lµ sù kÕt hîp cña hai hay nhiÒu ph¶n øng kÕ tiÕp nhau, bao gåm c¸c ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc. §©y lµ nhãm c¸c ph¶n øng mµ c¸c ph©n tö tham gia ph¶n øng trao ®æi c¸c nhãm chøc víi nhau (kh«ng cã sù oxy hãa hay sù khö). C¸c enzym xóc t¸c cho c¸c ph¶n øng nµy ®−îc gäi lµ c¸c transferase. Mét ph¶n øng chuyÓn hãa nhãm chøc ®iÓn h×nh ®−îc viÕt nh− sau: (A – X) + (B – Y) → (A – B) + (X – Y) (ph−¬ng tr×nh 1.12) trong ph¶n øng nµy, nhãm chøc cña X vµ B trao ®æi víi nhau. C¸c ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc ®«i khi khã ph©n biÖt khi cã sù tham gia cña n−íc trong thµnh phÇn ph¶n øng: (A – B) + (H - OH) → (A – OH) + (B – H) (ph−¬ng tr×nh 1.13) 15

§inh §oµn Long Lóc nµy, ph¶n øng l¹i cã b¶n chÊt lµ thñy ph©n vµ c¸c enzym xóc t¸c ®−îc gäi lµ hydrolase. Trong c¸c hÖ thèng sinh häc, c¸c ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc gi÷ mét vai trß quan träng trong viÖc h×nh thµnh c¸c ph©n tö cao n¨ng. Khi mét nhãm chøc mang liªn kÕt cao n¨ng ®−îc chuyÓn sang mét ph©n tö nhËn míi thÝch hîp, nã sÏ g¾n vµo ph©n tö nµy còng b»ng mét liªn kÕt cao n¨ng. Tõ ®ã, ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc cho phÐp liªn kÕt cao n¨ng chuyÓn ®−îc tõ ph©n tö nµy sang ph©n tö kh¸c. C¸c ph−¬ng tr×nh d−íi ®©y cho thÊy liªn kÕt cao n¨ng ®−îc chuyÓn tõ ATP sang GTP (®©y còng lµ mét ph©n tö cung cÊp n¨ng l−îng cho nhiÒu ho¹t ®éng cña tÕ bµo). Adenosine-~~ + Guanosine- → Adenosine-~ + Guanosine-~ (ph−¬ng tr×nh 1.14) Adenosine-~~ + Guanosine-~ → Adenosine-~ + Guanosine-~~ (ph−¬ng tr×nh 1.15) Nhãm cao n¨ng ~ trªn ph©n tö GTP giê ®©y cho phÐp nã cã thÓ t¹o liªn kÕt tù ph¸t víi c¸c ph©n tö kh¸c. GTP lµ mét vÝ dô vÒ tr−êng hîp cña c¸c ph©n tö ®−îc ho¹t hãa. Qu¸ tr×nh ho¹t hãa GTP nh− vËy cßn ®−îc gäi lµ sù ho¹t hãa nhãm chøc. 1.3.5.1. TÝnh linh ho¹t cña ATP trong c¸c ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc Sù tæng hîp ATP cã vai trß ®Æc biÖt quan träng trong viÖc “b¾t gi÷” n¨ng l−îng cña c¸c ph©n tö vµ biÕn nã thµnh chÊt cho n¨ng l−îng. Trong c¶ hai qu¸ tr×nh phosphoryl hãa oxy hãa vµ quang hîp, n¨ng l−îng ®Òu bÞ tiªu thô cïng víi viÖc ATP h×nh thµnh tõ ADP vµ phosphate: Adenosine-~ +  + N¨ng l−îng → Adenosine-~~ (ph−¬ng tr×nh 1.16) Do ATP lµ chÊt nhËn nhãm cao n¨ng ®Çu tiªn trong nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc, nªn nhãm cao n¨ng cña nã cã thÓ ®−îc chuyÓn tiÕp cho c¸c ph©n tö cã n¨ng l−îng thÊp h¬n ®Ó ho¹t hãa c¸c ph©n tö nµy thµnh d¹ng cã thÓ tham gia c¸c ph¶n øng tù ph¸t. Vai trß cung cÊp n¨ng l−îng cña ATP biÓu hiÖn qua viÖc nã sö dông hai liªn kÕt cao n¨ng, mµ khi ph©n t¸ch gi¶i phãng ra ba nhãm chøc ®Æc thï, ®ã lµ: mét nhãm pyrophosphate ~; mét nhãm adenosine monophosphate (AMP); vµ mét nhãm phosphate ~. §¸ng chó ý lµ c¸c nhãm chøc nµy chØ duy tr× møc n¨ng l−îng cao cña chóng khi ®−îc chuyÓn ®Õn mét chÊt nhËn phï hîp. Ch¼ng h¹n, khi nhãm ~ nÕu ®−îc chuyÓn ®Õn COO- th× thu ®−îc nhãm acylphosphate (COO~) cã n¨ng l−îng cao, nh−ng khi ®−îc chuyÓn tíi gèc (-C-OH) cña glucose th× chØ h×nh thµnh mét liªn kÕt n¨ng l−îng thÊp (Glu-6-). 1.3.5.2. Axit amin ®−îc ho¹t hãa nhê g¾n gèc AMP Sù ho¹t hãa c¸c axit amin lµ nhê viÖc chuyÓn mét nhãm AMP (adenosine monophosphate) tõ ATP sang nhãm COO- cña axit amin, nh− minh häa ë ph−¬ng tr×nh d−íi ®©y: HR O HR O C H N+ C C + Adenosine-~~ →H N+ C + ~ O- HH HH O- ~ -Adenosine (ph−¬ng tr×nh 1.17) ë ph−¬ng tr×nh trªn, R biÓu diÔn cho gèc bªn ®Æc tr−ng cña mçi lo¹i axit amin. Enzym xóc t¸c cho ph¶n øng nµy lµ aminoacyl synthetase. Sau khi ®−îc ho¹t hãa, c¸c axit amin (AA) cã thÓ ®−îc dïng ®Ó tæng hîp protein mét c¸ch hiÖu qu¶ trªn c¬ së nhiÖt ®éng häc. Tuy vËy, phøc hÖ AA~AMP ch−a ph¶i lµ tiÒn chÊt trùc tiÕp tæng hîp protein. Thay vµo ®ã, ta sÏ thÊy ë ch−¬ng 4 (môc 4.3: DÞch m· di truyÒn), mét sù chuyÓn nhãm 16

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc chøc thø hai sÏ chuyÓn axit amin ®· ho¹t hãa tíi nhãm hydroxyl tËn cïng ®Çu 3’ cña ph©n tö tARN: AA~AMP + tARN → AA~tARN + AMP (ph−¬ng tr×nh 1.18) Mét liªn kÕt peptide sau ®ã ®−îc h×nh thµnh qua viÖc g¾n ph©n tö AA~tARN vµo cuèi chuçi polypeptide ®ang ®−îc kÐo dµi: AA~tARN + chuçi polypeptide (n axit amin) tARN + chuçi polypeptide kÐo dµi (n+1 axit amin) (ph−¬ng tr×nh 1.19) Nh− vËy, b−íc cuèi cña ph¶n øng kÐp nµy còng gièng nh− nh÷ng ph¶n øng kÐp kh¸c thùc chÊt lµ sù lo¹i bá nhãm chøc cã t¸c dông ho¹t hãa vµ chuyÓn liªn kÕt cao n¨ng vµo ph©n tö cã n¨ng l−îng tù do thÊp h¬n. ∆G ë ®©y cã gi¸ trÞ ©m vµ ph¶n øng theo chiÒu tæng hîp protein. 1.3.5.3. TiÒn chÊt cña c¸c axit nucleic ®−îc ho¹t hãa bëi pyrophosphate (~) C¶ hai axit nucleic lµ ARN vµ ADN ®Òu ®−îc cÊu thµnh tõ c¸c ®¬n ph©n lµ nucleotide, hay cßn ®−îc gäi lµ c¸c nucleoside phosphate hoÆc mononucleotide. XÐt vÒ nhiÖt ®éng häc, c¸c mononucleotide cßn khã tù h×nh thµnh liªn kÕt víi nhau h¬n so víi c¸c axit amin. §ã lµ do liªn kÕt phosphodieste gi÷a c¸c nucleotide khi bÞ thñy ph©n cã møc n¨ng l−îng tù do kh¸ lín (-6 kcal/mol). §iÒu ®ã cã nghÜa lµ c¸c axit nucleic chØ tù thñy ph©n thµnh c¸c nucleotide ë tèc ®é thÊp. V× vËy, ®Ó tæng hîp c¸c axit nucleic viÖc ho¹t hãa c¸c nucleotide cßn cÇn n¨ng l−îng cao h¬n so víi c¸c axit amin lµ tiÒn chÊt tæng hîp protein. C¸c tiÒn chÊt trung gian ®Ó tæng hîp ADN vµ ARN lµ c¸c nucleoside triphosphate. §èi víi ADN, ®ã lµ dATP, dGTP, dCTP vµ dTTP (d lµ viÕt t¾t cña deoxy; c¶ bèn lo¹i ®−îc viÕt t¾t lµ dNTP; dTTP ®«i khi ®−îc viÕt lµ TTP). Cßn ®èi víi tæng hîp ARN, c¸c tiÒn chÊt bao gåm ATP, GTP, CTP vµ UTP. Nh− vËy ATP kh«ng chØ cã vai trß lµ ph©n tö cung cÊp n¨ng l−îng cho nhiÒu ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc trong tÕ bµo, mµ b¶n th©n nã trùc tiÕp cßn lµ mét tiÒn chÊt tæng hîp ARN. C¶ ba tiÒn chÊt cßn l¹i cña ARN ®Òu ®−îc h×nh thµnh tõ c¸c ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc ®−îc nªu ë c¸c ph−¬ng tr×nh 1.14 vµ 1.15. C¸c dNTP ®−îc h×nh thµnh c¬ b¶n dùa trªn cïng nguyªn t¾c lµ: sau khi c¸c deoxymonophosphate (dNMP) ®−îc h×nh thµnh, chóng ®−îc chuyÓn sang tr¹ng th¸i ho¹t hãa (dNTP) nhê sù chuyÓn nhãm chøc tõ ATP: Deoxynucleoside- + ATP → Deoxynucleoside-~ + ADP (ph−¬ng tr×nh 1.20) Deoxynucleoside-~ + ATP → Deoxynucleoside-~~ + ADP (ph−¬ng tr×nh 1.21) C¸c hîp chÊt dNTP ë tr¹ng th¸i ho¹t hãa lóc nµy cã thÓ t¹o liªn kÕt phosphodieste víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn chuçi polynucleotide. HËu qu¶ cña ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc lµ mét liªn kÕt bÞ ®øt g·y vµ nhãm ~ ®−îc gi¶i phãng ra: Deoxynucleoside-~~ + chuçi polynucleotide (n nucleotide) → ~ + chuçi polynucleotide (n+1 nucleotide) (ph−¬ng tr×nh 1.22) VÒ nhiÖt ®éng häc, ph¶n øng nµy kh«ng gièng nh− sù h×nh thµnh liªn kÕt peptide. Thùc tÕ ë ®©y, ∆G cã gi¸ trÞ d−¬ng nhÑ (kho¶ng 0,5 kcal/mol). §iÒu nµy lµm xuÊt hiÖn c©u hái: “n¨ng l−îng tù do cÇn cho ph¶n øng nµy xuÊt ph¸t tõ ®©u?” 1.3.5.4. N¨ng l−îng tõ nhãm ~ ®−îc gi¶i phãng trong qu¸ tr×nh tæng hîp axit nucleic N¨ng l−îng tù do cÇn cã cho ph¶n øng tæng hîp axit nucleic xuÊt ph¸t tõ sù ®øt g·y nhãm pyrophosphate cao n¨ng x¶y ra ®ång thêi khi liªn kÕt phosphodieste ®−îc h×nh thµnh. Mäi tÕ bµo ®Òu cã mét enzym ho¹t ®éng rÊt m¹nh lµ pyrophosphatase. Enzym nµy xóc t¸c ph¶n øng ph¸ vì c¸c nhãm ~ hÇu nh− bÊt cø khi nµo chóng võa h×nh thµnh: ~ → 2  (∆G = - 7 kcal/mol) (ph−¬ng tr×nh 1.23) 17

§inh §oµn Long ∆G ë ®©y cã gi¸ trÞ ©m lín cho thÊy ph¶n øng nµy kh«ng thÓ ®¶o ng−îc, nghÜa lµ mét khi liªn kÕt ~ bÞ ph¸ vì, chiÒu liªn kÕt trë l¹i cña 2  kh«ng bao giê x¶y ra. ViÖc kÕt hîp ph¶n øng tæng hîp gi÷a c¸c dNTP (ph−¬ng tr×nh 1.22) víi sù ph©n t¸ch cña nhãm ~ (ph−¬ng tr×nh 1.23) cã Kcb ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tæng gi¸ trÞ ∆G cña hai ph¶n øng lµ (0,5 kcal/mol) + (- 7 kcal/mol) = - 6,5 kcal/mol. Gi¸ trÞ ∆G nµy cho thÊy c¸c axit nucleic hÇu nh− kh«ng bao giê tù ®øt g·y thµnh c¸c nucleotide ë ®iÒu kiÖn sinh lý tÕ bµo. 1.3.5.5. Sù ®øt g·y liªn kÕt ~ x¸c ®Þnh chiÒu h−íng cña phÇn lín c¸c ph¶n øng sinh tæng hîp Sù ®øt g·y liªn kÕt ~ kh«ng chØ x¸c ®Þnh chiÒu h−íng cña ph¶n øng tæng hîp c¸c axit nucleic, mµ thùc tÕ, hÇu hÕt c¸c qu¸ tr×nh sinh tæng hîp ®Òu Ýt nhiÒu liªn quan ®Õn sù gi¶i phãng nhãm ~. VÝ dô: khi ho¹t hãa axit amin (AA), n¨ng l−îng tõ ATP ®−îc chuyÓn ®Õn AA~AMP, t¹o ra mét gi¸ trÞ ∆G ©m lín vµ ph¶n øng kh«ng thÓ ®¶o ng−îc. a) Nucleoside Chuçi polynucleotide ®ang Phosphate diphosphate (NDP) tæng hîp (cã n nucleotide) Chuçi polynucleotide ®ang tæng b) hîp (cã n+1 nucleotide) Nucleoside Pyrophosphate Phosphate triphosphate (NTP) Chuçi polynucleotide ®ang Chuçi polynucleotide ®ang tæng tæng hîp (cã n nucleotide) hîp (cã n+1 nucleotide) Nucleoside Pyrophosphate Phosphate triphosphate (NTP) Chuçi polynucleotide ®ang tæng hîp (cã n+1 nucleotide) Chuçi polynucleotide ®ang tæng hîp (cã n+2 nucleotide) H×nh 1.5. Hai m« h×nh sinh tæng hîp axit nucleic. (a) tiÒn chÊt lµ c¸c nucleoside diphosphate (NDP); (b) tiÒn chÊt lµ c¸c nucleoside triphosphate (NTP) 18

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc HiÖu qu¶ sö dông nhãm ~ cã thÓ thÊy trong tr−êng hîp tÕ bµo “cè g¾ng” tæng hîp axit nulecic tõ NDP chø kh«ng ph¶i tõ NTP (h×nh 1.5). Trong tr−êng hîp nµy, nhãm  chø kh«ng ph¶i ~ ®−îc gi¶i phãng ra. Nh−ng ë ®©y, c¸c liªn kÕt phosphodieste kh«ng bÒn v× n¨ng l−îng tù do (∆G) ®−îc gi¶i phãng ra kh«ng lín. V× vËy, dÉn ®Õn ph¶n øng sinh tæng hîp dÔ bÞ “®¶o ng−îc”. NÕu l−îng phosphate v« c¬ () ®−îc tÝch lòy ngµy cµng cao, ph¶n øng sÏ ngµy cµng cã xu h−íng lµm ®øt g·y c¸c chuçi polynucleotide míi h×nh thµnh tu©n theo luËt t¸c dông khèi l−îng. Ngoµi ra, tÕ bµo cßn cÇn sö dông  cho nhiÒu ho¹t ®éng sèng cña nã. Trong thùc tÕ, ph¶n øng ®øt g·y liªn kÕt ~ kh«ng chØ gi¶i phãng mét l−îng lín n¨ng l−îng tù do, mµ ®ång thêi h×nh thµnh c¸c  riªng lÎ. §iÒu nµy ng¨n c¶n kh¶ n¨ng x¶y ra c¸c ph¶n øng ®¶o ng−îc. Nãi c¸ch kh¸c, b»ng c¬ chÕ kÐp nªu trªn, tÕ bµo rÊt khã tËp trung ®ñ l−îng ~ cÇn thiÕt ®Ó ph¶n øng ®¶o ng−îc cã thÓ diÔn ra theo luËt t¸c dông khèi l−îng. Ta thÊy râ ë ®©y viÖc c¸c NTP ®−îc dïng lµm tiÒn chÊt tæng hîp c¸c axit nucleic kh«ng hÒ lµ mét sù t×nh cê cña t¹o hãa. Còng tõ ph©n tÝch trªn ®©y, chóng ta thÊy râ sù −u viÖt cña viÖc sö dông ATP, chø kh«ng ph¶i ADP, lµ chÊt cho n¨ng l−îng chñ yÕu cña mäi tÕ bµo. Trong c¸c tÕ bµo, nh÷ng ph¶n øng sö dông ADP lµm ph©n tö cho n¨ng l−îng th−êng diÔn ra c©n b»ng theo hai chiÒu. 1.4. C¸c liªn kÕt m¹nh vµ yÕu quy ®Þnh cÊu h×nh cña c¸c ®¹i ph©n tö ADN, ARN vµ protein ®Òu lµ c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc ®−îc h×nh thµnh tõ c¸c ®¬n ph©n. §èi víi ADN vµ ARN, nh÷ng ®¬n ph©n nµy lµ c¸c nucleotide, cßn víi protein lµ 20 lo¹i axit amin c¬ b¶n (vµ mét sè lo¹i biÕn ®æi kh¸c) ®−îc ho¹t hãa bëi tARN. Chøc n¨ng sinh hãa vµ di truyÒn cña c¸c ®¹i ph©n tö nµy ®Òu ®−îc quy ®Þnh bëi thµnh phÇn vµ trËt tù cña c¸c ®¬n ph©n. C¸c liªn kÕt yÕu gi÷ vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian (ë ®©y gäi t¾t lµ cÊu h×nh) vµ chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö nµy. CÊu tróc bËc I cña ADN, ARN vµ protein lµ trËt tù cña c¸c ®¬n ph©n liªn kÕt víi nhau bëi c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ. Nh−ng, cÊu h×nh ®Æc thï cña ADN, ARN vµ protein (yÕu tè quyÕt ®Þnh chøc n¨ng cña chóng) l¹i chñ yÕu ®−îc quy ®Þnh bëi sù cã mÆt ®ång thêi cña nhiÒu liªn kÕt yÕu. ChÝnh c¸c liªn kÕt yÕu, bao gåm c¸c liªn kÕt hydro, ion, kÞ n−íc vµ lùc Van der Waals, ®· t¹o nªn c¸c vÞ trÝ ho¹t ®éng cña c¸c ph©n tö protein; cßn ®èi víi ADN, nã lµm cho ph©n tö nµy cã d¹ng cÊu tróc chuçi xo¾n kÐp. Trong thùc tÕ, khi nh÷ng liªn kÕt yÕu mÊt ®i (vÝ dô: bëi nhiÖt hoÆc c¸c chÊt tÈy), dï cho c¸c liªn kÕt céng hãa trÞ vÉn cßn nguyªn, th× ho¹t tÝnh sinh häc cña ph©n tö nµy hÇu nh− kh«ng cßn. Trong phÇn nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c lùc quy ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian cña ADN, ARN vµ protein. §©y chÝnh lµ c¬ chÕ chñ yÕu cña nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc nãi chung vµ di truyÒn häc nãi riªng ®−îc nh¾c tíi trong c¸c phÇn sau cña gi¸o tr×nh nµy, bao gåm c¶ c¸c qu¸ tr×nh sao chÐp, phiªn m·, dÞch m·, ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña c¸c gen, ®iÒu khiÓn thay ®æi chøc n¨ng protein qua c¬ chÕ “dÞ h×nh”, v.v… 1.4.1. CÊu h×nh ph©n tö ®−îc quy ®Þnh bëi c¸c liªn kÕt trong vµ ngoµi ph©n tö 1.4.1.1. Sù h×nh thµnh chuçi xo¾n kÐp ®Òu ®Æn cña ph©n tö ADN CÊu tróc xo¾n kÐp ®Òu ®Æn cña ADN lµ do hÇu hÕt c¸c ph©n tö ADN cã hai m¹ch polynucleotide song song ng−îc chiÒu (cßn gäi lµ “®èi song song”) liªn kÕt víi nhau qua liªn kÕt hydro mang tÝnh bæ sung. Hai m¹ch cña ph©n tö ADN ®−îc gi÷ l¹i víi nhau bëi c¸c liªn kÕt hydro gi÷a c¸c cÆp purine (adenine vµ guanine) vµ pyrimidine (thymine vµ cytosine) t−¬ng hîp (xem thªm ch−¬ng 2). Sù t−¬ng hîp gi÷a tõng cÆp baz¬ nit¬ vµ tÝnh ®èi song song cña ph©n tö ADN sîi kÐp lµ do yªu cÇu vÒ tÝnh ®Þnh h−íng cña c¸c nhãm 19

§inh §oµn Long chøc cho vµ nhËn liªn kÕt hydro. Trong m«i tr−êng néi bµo, adenine (A) lu«n cã xu h−íng liªn kÕt hydro víi thymine (T), cßn guanine (G) lu«n liªn kÕt hydro víi cytosine (C). Ngoµi ra, c¸c nguyªn tö trªn bÒ mÆt cña phÇn ®−êng vµ phosphate th−êng h×nh thµnh c¸c liªn kÕt yÕu víi c¸c ph©n tö n−íc ë xung quanh. C¸c cÆp baz¬ nit¬ (base) purine-pyrimidine lu«n ë phÇn trung t©m cña ph©n tö ADN. Sù s¾p xÕp nh− vËy cho phÐp bÒ mÆt ph©n tö ph¼ng cña chóng xÕp thµnh tõng líp chång lªn nhau, gióp c¸c baz¬ nit¬ chia sÎ ®−îc c¸c ®iÖn tö (π - π), ®ång thêi h¹n chÕ sù tiÕp xóc cña chóng víi c¸c ph©n tö n−íc. Sù cã mÆt cña c¸c cÆp baz¬ nit¬ liªn kÕt bæ trî víi nhau trong chuçi xo¾n kÐp lµm cÊu tróc ph©n tö cã h×nh d¹ng xo¾n ®Òu ®Æn, do kho¶ng c¸ch gi÷a mçi cÆp baz¬ nit¬ lµ æn ®Þnh. Ph©n tö ADN ë d¹ng xo¾n kÐp cã tÝnh æn ®Þnh cao nhê hai lý do: Thø nhÊt, sù ph¸ vì cÊu tróc xo¾n kÐp lµm c¸c purine vµ pyrimidine vèn cã tÝnh kÞ n−íc ph¶i tiÕp xóc víi c¸c ph©n tö n−íc lµ kh«ng phï hîp víi xu h−íng hãa n¨ng. Thø hai, c¸c ph©n tö ADN sîi kÐp cã mét l−îng lín c¸c liªn kÕt yÕu s¾p xÕp theo mét trËt tù nhÊt ®inh, nªn kh«ng dÔ ®øt ra ®ång thêi. Trong dung dÞch, sù chuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö cã thÓ lµm ®øt g·y c¸c liªn kÕt hydro ë hai ®Çu ph©n tö ADN sîi kÐp, nh−ng th−êng kh«ng bao giê cã thÓ lµm ®øt g·y c¸c liªn kÕt ë s©u bªn trong. Mét khi liªn kÕt hydro bÞ ®øt g·y, th× sù kiÖn cã xu h−íng x¶y ra ngay sau ®ã lµ liªn kÕt hydro h×nh thµnh trë l¹i. TÊt nhiªn, trong mét sè ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh (vÝ dô: nhiÖt ®é cao hoÆc trong m«i tr−êng kiÒm), nhiÒu liªn kÕt hydro cã thÓ bÞ ®øt g·y liªn tiÕp. Trong tr−êng hîp hai m¹ch cña ADN ®· t¸ch nhau ra mµ kh«ng liªn kÕt ngay trë l¹i, th× qu¸ tr×nh nµy th−êng b¾t ®Çu tõ mét ®Çu cña ph©n tö vµ tiÕn dÇn vµo phÝa trong. Tuy nhiªn, hiÖn t−îng nµy nh×n chung hiÕm khi x¶y ra trong ®iÒu kiÖn sinh lý b×nh th−êng vµ c¸c ®o¹n ADN cã nhiÒu h¬n 10 liªn kÕt hydro th−êng bÒn ë nhiÖt ®é phßng. Khi nhiÖt ®é t¨ng dÇn lªn vµ cao h¬n nhiÖt ®é sinh lý c¬ thÓ th× tËp hîp c¸c liªn kÕt yÕu ngµy cµng trë nªn kÐm bÒn. ë nhiÖt ®é cao, sù ®øt g·y cña c¸c liªn kÕt yÕu x¶y ra ngµy cµng nhanh h¬n. Khi sè liªn kÕt ®øt g·y ®¹t ®Õn sè l−îng nhÊt ®Þnh, th× ph©n tö mÊt ®i cÊu h×nh nguyªn thñy cña nã (gäi lµ sù biÕn tÝnh cña ph©n tö) vµ mÊt ®i ho¹t tÝnh. Nh− vËy, khi nhiÖt ®é t¨ng lªn, ph¶i cã nh÷ng mèi t−¬ng t¸c nhÊt ®Þnh míi cã thÓ duy tr× cÊu h×nh sîi kÐp cña ph©n tö ADN. 1.4.1.2. ARN cã nhiÒu d¹ng cÊu tróc kh¸c nhau Ng−îc víi cÊu tróc ADN sîi kÐp cã tÝnh æn ®Þnh cao, ARN th−êng thÊy ë d¹ng m¹ch ®¬n. Mét sè lo¹i ARN (nh− mARN) cã chøc n¨ng nh− ph©n tö vËn chuyÓn th«ng tin t¹m thêi, th−êng ë tr¹ng th¸i liªn kÕt víi c¸c protein kh¸c nhau, nªn chóng th−êng kh«ng cã cÊu h×nh bËc 3 æn ®Þnh. C¸c ph©n tö ARN kh¸c cã thÓ gÊp nÕp thµnh mét sè d¹ng cÊu h×nh bËc 3 ®Æc thï. §èi víi nh÷ng ph©n tö nµy, th−êng th× c¸c mèi t−¬ng t¸c néi ph©n tö gi÷a c¸c ph©n ®o¹n kh¸c nhau gióp h×nh thµnh nªn cÊu h×nh ®Æc thï cña chóng. Nh÷ng t−¬ng t¸c nµy bao gåm sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c baz¬ nit¬ theo m« h×nh cña Watson-Crick, mét sè d¹ng kÕt cÆp baz¬ bÊt th−êng kh¸c chØ cã ë ARN, vµ sù xÕp chång lªn nhau cña c¸c baz¬ nit¬ cã tÝnh kÞ n−íc. ARN kh¸c ADN ë ®−êng ribose lµ cã gèc C2’-OH. Trong cÊu tróc gÊp nÕp cña c¸c ph©n tö ARN, gèc C2’-OH nµy th−êng tham gia vµo c¸c mèi t−¬ng t¸c gióp æn ®Þnh cÊu h×nh ph©n tö. Ch¼ng h¹n nh− c¸c ion hãa trÞ 2 (nh− Mg2+, Mn2+, Ca2+) khi g¾n vµo ph©n tö ARN gióp c¸c cÊu tróc gÊp nÕp cña ph©n tö nµy trë nªn æn ®Þnh vµ bÒn v÷ng, ®ã lµ nhê nh÷ng ion nµy cã thÓ che ch¾n c¸c ®iÖn tÝch ©m cña trôc ph©n tö, t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó c¸c miÒn (domain) cña ph©n tö tiÕp cËn ®−îc gÇn nhau. CÊu h×nh bËc 3 cña mét sè lo¹i ARN, ®Æc biÖt lµ tARN, th−êng cã cÊu tróc chÆt vµ gÊp nÕp ®Æc tr−ng. CÊu tróc cña nhãm ph©n tö nµy cho thÊy sù xÕp chång lªn nhau cña c¸c baz¬ nit¬ gi÷ mét vai trß quan träng gióp duy tr× cÊu h×nh æn ®Þnh cña ARN. Cô thÓ, trong 20

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc mét ph©n tö ARN cã kho¶ng 76 baz¬ nit¬, trung b×nh t×m thÊy 72 baz¬ nit¬ cã kiÓu t−¬ng t¸c xÕp chång lªn nhau. §Æc ®iÓm nµy gièng víi cÊu tróc ADN sîi kÐp. Nh− ®· nãi ë trªn, cÊu tróc nµy lµ bÒn v÷ng vÒ mÆt hãa n¨ng. C¸c vïng cã cÊu tróc xo¾n kÐp vµ xÕp chång lªn nhau nh− vËy cña ARN cßn cã thÓ cã c¸c t−¬ng t¸c bËc 3 kh¸c n÷a gióp ph©n tö ARN cã cÊu h×nh æn ®Þnh. 1.4.1.3. Thuéc tÝnh cña c¸c axit amin - thµnh phÇn cÊu t¹o nªn c¸c protein Kh«ng gièng 8 lo¹i nucleotide (4 lo¹i deoxyribonucleotide vµ 4 lo¹i ribonucleotide) trong cÊu tróc cña ADN vµ ARN, 20 lo¹i axit amin phæ biÕn tæng hîp nªn protein cã tÝnh ®a d¹ng rÊt cao. C¸c axit amin cã ®Æc ®iÓm chung lµ cã mét nguyªn tö cacbon trung t©m (Cα) liªn kÕt víi mét nguyªn tö H, mét nhãm amino (-NH3+) vµ mét nhãm cacboxyl (-COO-). Liªn kÕt thø t− cña Cα g¾n víi mét chuçi bªn cã cÊu tróc kh¸c nhau gi÷a c¸c lo¹i axit amin vµ cßn ®−îc gäi lµ gèc R. Gèc R cña c¸c axit amin kh¸c nhau vÒ kÝch th−íc, h×nh d¹ng, thµnh phÇn hãa häc vµ ®Æc tÝnh hãa lý. Dùa trªn c¸c thuéc tÝnh hãa lý, c¸c chuçi bªn (gèc R) cña c¸c axit amin ®−îc chia lµm 4 nhãm: nhãm trung tÝnh kh«ng ph©n cùc, nhãm trung tÝnh ph©n cùc, nhãm cã tÝnh axit vµ nhãm cã tÝnh baz¬ (b¶ng 1.5). C¸c gèc R thuéc nhãm trung tÝnh kh«ng ph©n cùc gåm c¸c chuçi cacbon hoÆc cÊu tróc vßng th¬m cã tÝnh kÞ n−íc. C¸c gèc R thuéc nhãm trung tÝnh ph©n cùc gåm hydroxyl, sulfhydryl, amit vµ imidazole cã kh¶ n¨ng t¹o liªn kÕt hydro m¹nh. C¸c gèc R mang ®iÖn tÝch (cã tÝnh axit hoÆc baz¬), bao gåm c¸c amin vµ cacboxylate bËc mét hoÆc hai, cã kh¶ n¨ng t¹o c¸c liªn kÕt hydro vµ ion. TÊt c¶ c¸c lo¹i chuçi bªn R ®Òu cã thÓ tham gia c¸c liªn kÕt Van der Waals. 1.4.1.4. Liªn kÕt peptide Liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a c¸c axit amin trong Liªn kÕt peptide ph©n tö protein lµ liªn kÕt peptide (h×nh 1.6). Liªn kÕt nµy ®−îc t¹o ra gi÷a nhãm -NH2 cña axit amin H R1 HH O nµy víi nhãm –COOH cña axit amin liÒn kÒ. §©y lµ mét liªn kÕt ®«i (mét phÇn). NghÜa lµ, liªn kÕt nµy H N C C N C C O- HHO chøa nhiÒu h¬n mét cÆp ®iÖn tö, do ®ã møc ®é quay R2 quanh liªn kÕt cña c¸c nguyªn tö bÞ h¹n chÕ. C¸c nguyªn tö chØ cã thÓ quay tù do quanh liªn kÕt khi chØ cã mét liªn kÕt ®¬n duy nhÊt, ch¼ng h¹n nh− c¸c nhãm -CH3 cña metan (H3C-C3H) cã thÓ quay tù do H×nh 1.6. Liªn kÕt peptide. DÊu quanh liªn kÕt C-C. Trõ liªn kÕt peptide, mäi liªn ngoÆc chØ hai axit amin ®−îc nèi víi kÕt kh¸c trong trôc polypeptide lµ c¸c liªn kÕt ®¬n vµ nhau b»ng mét liªn kÕt peptide do ®ã c¸c nguyªn tö cã thÓ quay tù do. Víi ®Æc ®iÓm cÊu tróc nµy, vÒ lý thuyÕt c¸c chuçi polypeptide cã thÓ cã nhiÒu d¹ng cÊu h×nh kh¸c nhau. Nh−ng trong tr−êng hîp cña protein, do t¸c ®éng phèi trÝ (steric interference) gi÷a c¸c liªn kÕt peptide mµ kh¶ n¨ng quay quanh liªn kÕt cña c¸c nguyªn tö vµ gèc R bÞ h¹n chÕ. §iÒu nµy lµm cÊu h×nh kh«ng gian cña c¸c ph©n tö protein võa cã tÝnh æn ®Þnh võa cã tÝnh linh ho¹t t−¬ng ®èi khi t−¬ng t¸c víi c¸c ph©n tö kh¸c. 1.4.1.5. Bèn cÊp cÊu h×nh cña protein CÊu h×nh bËc mét cña mét ph©n tö protein lµ tr×nh tù c¸c axit amin cÊu t¹o nªn ph©n tö ®ã. C¸c axit amin gÇn nhau t¹o c¸c liªn kÕt thø cÊp víi nhau ®Ó h×nh thµnh nªn cÊu h×nh bËc hai. Cã hai d¹ng cÊu h×nh bËc hai phæ biÕn lµ d¹ng xo¾n α vµ mÆt ph¼ng β. C¸c cÊu h×nh bËc hai tiÕp tôc ®ãng gãi t¹o nªn cÊu h×nh bËc ba th−êng cã tÝnh ®Æc thï ®èi víi tõng chuçi polypeptide. HÇu hÕt c¸c ph©n tö protein ®Òu ®−îc cÊu thµnh tõ nhiÒu chuçi polypeptide kh¸c nhau, trong ®ã mçi chuçi ®−îc gäi lµ c¸c tiÓu ®¬n vÞ protein. C¸c tiÓu ®¬n vÞ kÕt hîp víi nhau hoÆc víi mét sè ph©n tö kh¸c ®Ó h×nh thµnh nªn cÊu h×nh bËc 21

§inh §oµn Long bèn. §¸ng chó ý lµ mét ph©n tö protein cã thÓ cã nhiÒu cÊu h×nh bËc bèn kh¸c nhau. TÊt nhiªn, mçi d¹ng cÊu h×nh nµy th−êng cã chøc n¨ng hoÆc ho¹t tÝnh sinh häc kh¸c nhau. B¶ng 1.5. Ph©n lo¹i axit amin trªn c¬ së kh¶ n¨ng tÝch ®iÖn vµ tÝnh ph©n cùc cña c¸c chuçi bªn C¸c axit amin trung tÝnh cã chuçi bªn (R) kh«ng ph©n cùc (kÞ n−íc) COO- COO- COO- COO- COO- H3N C H H3N C H H3N C H H3N C H H3N C H H CH3 CH CH3 CH2 CH CH2 CH3 CH CH3 CH3 CH3 CH3 Isoleucine Glycine Alanine Valine Leucine (Ile, I) (Gly, G) (Ala, A) (Val, V) (Leu, L) COO- COO- COO- COO- COO- H3N C H H2N H3N C H H3N C H H3N C H CH2 CH2 CH2 CH2 SH CH CH2 C NH S CH3 Proline Phenylalanine Tryptophane Methionine Cysteine (Pro, P) (Phe, F) (Trp, W) (Met, M) (Cys, C) C¸c axit amin trung tÝnh cã chuçi bªn (R) ph©n cùc (−a n−íc) COO- H3N C H COO- CH2 COO- COO- H3N C H COO- CH2 H3N C H H3N C H CH2 H3N C H C H2N O CH2OH CHOH CH2 CH3 C H2N O OH Serine Threonine Tyrosine Asparagine Glutamine (Ser, S) (Thr, T`) (Tyr, Y) (Asn, N) (Gln, Q) C¸c axit amin tÝch ®iÖn d−¬ng (tÝnh kiÒm / tÝnh baz¬) C¸c axit amin tÝch ®iÖn ©m (tÝnh axit) COO- COO- COO- COO- COO- H3N C H H3N C H H3N C H H3N C H H3N C H CH2 CH2 CH2 COO- CH2 CH2 CH2 CH2 COO- CH2 CH2 NH CH2 N C CH2 NH3 NH H2N NH2 Arginine Lysine Histidine Axit aspartic Axit glutamic (Arg, R) (Lys, K) (His, H) (Asp, D) (Glu, E) 22

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc 1.4.1.6. CÊu h×nh protein bËc hai phæ biÕn lµ d¹ng chuçi xo¾n α vµ mÆt ph¼ng β D¹ng cÊu h×nh bËc hai bÒn v÷ng nhÊt cña khung polypeptide lµ d¹ng chuçi xo¾n α (h×nh 1.7). §©y lµ d¹ng xo¾n ph¶i, cã chu kú vßng xo¾n dµi 5,4Å theo chiÒu dµi trôc xo¾n víi mçi vßng xo¾n cã trung b×nh 3,6 axit amin. CÊu h×nh xo¾n α ®−îc gi÷ æn ®Þnh lµ nhê c¸c liªn kÕt yÕu (chñ yÕu lµ liªn kÕt hydro) gi÷a c¸c nguyªn tö thuéc c¸c nhãm imino vµ cacboxyl gÇn nhau trªn chuçi polypeptide vµ phï hîp víi khung peptide cã c¸c gãc quay lµ φ (phi) vµ ψ (psi), do t¸c ®éng phèi trÝ cña c¸c nhãm chøc (h×nh 1.8). ChØ cã mét axit amin duy nhÊt kh«ng t¹o ®−îc liªn kÕt hydro lµ proline (v× axit amin nµy cã cÊu tróc vßng nªn nã kh«ng cã nguyªn tö cho liªn kÕt hydro, xem b¶ng 1.5). V× vËy, Proline cßn ®−îc gäi lµ tiÓu phÇn lµm gËp chuçi xo¾n. Mét sè axit amin kh¸c, bao gåm Glycine, Tyrosine, vµ Serine, mÆc dï kh«ng cã cÊu tróc ng¨n c¶n sù h×nh thµnh vßng xo¾n α, nh−ng hiÕm khi cã mÆt trong c¸c chuçi xo¾n α. ViÖc h×nh thµnh cÊu h×nh xo¾n α chñ yÕu dùa trªn sù tiÕp xóc gi÷a c¸c nguyªn tö trªn trôc polypeptide dÉn ®Õn hiÖn t−îng lµ c¸c chuçi bªn (gèc R) cña c¸c axit amin trªn chuçi polypeptide th−êng ®−îc ®Èy ra xa khái chuçi xo¾n (h×nh 1.8). §iÒu nµy gióp c¸c chuçi bªn cã ®−îc vÞ trÝ lý t−ëng ®Ó cã thÓ t−¬ng t¸c víi c¸c vïng kh¸c cña c¸c ph©n tö protein, hoÆc víi c¸c ®¹i ph©n tö kh¸c, bao gåm ADN vµ ARN. Liªn kÕt peptide RMÆt ph¼ng β §o¹n “nót th¾t” O H HH C Cα N Vßng xo¾n α Cα N C Cα MÆt ph¼ng H MÆt ph¼ng liªn kÕt H liªn kÕt O R R Gãc quay do t¸c ®éng phèi trÝ H×nh 1.7. Hai d¹ng cÊu tróc bËc hai H×nh 1.8. C¸c gãc quay phi (φ) vµ psi (ψ) quanh c¸c liªn kÕt phæ biÕn cña protein lµ d¹ng vßng Cα-N vµ Cα-C. Vïng ®−îc vÏ b»ng ®−êng ®øt nÐt lµ mÆt ph¼ng cña c¸c nguyªn tö tham gia liªn kÕt peptide (theo Watson, 2004) xo¾n α vµ d¹ng mÆt ph¼ng β CÊu h×nh bËc hai phæ biÕn thø hai cña protein lµ d¹ng mÆt ph¼ng β (h×nh 1.7). Kh«ng gièng víi d¹ng xo¾n α, d¹ng mÆt ph¼ng β lµ kÕt qu¶ cña sù liªn kÕt gi÷a c¸c phÇn xa nhau h¬n thuéc khung polypeptide (h×nh 1.9). Sù æn ®Þnh cña cÊu h×nh mÆt ph¼ng β lµ do sù xÕp th¼ng hµng cña c¸c ph©n ®o¹n polypeptide sao cho c¸c nhãm -C=O vµ -NH thuéc c¸c ph©n ®o¹n liÒn kÒ xÕp th¼ng hµng vµ cã thÓ t¹o liªn kÕt hydro víi nhau. Qua tËp hîp c¸c liªn kÕt nµy, mét mÆt ph¼ng β ®−îc h×nh thµnh. Mét mÆt ph¼ng β ®iÓn h×nh th−êng bao gåm tõ 4 ®Õn 6 ph©n ®o¹n polypeptide xÕp th¼ng hµng (nh÷ng ph©n ®o¹n nµy cßn ®−îc gäi t¾t lµ chuçi β) víi chiÒu dµi mçi ph©n ®o¹n gåm tõ 8 ®Õn 10 axit amin. Trong cÊu h×nh mÆt ph¼ng β, ®Ó c¸c nhãm -C=O vµ -NH cã thÓ liªn kÕt hydro ®−îc víi nhau (dÉn ®Õn c¸c nhãm nµy n»m trªn cïng mÆt ph¼ng), c¸c axit amin gÇn kÒ ph¶i quay ng−îc nhau 180o, vµ v× vËy c¸c gèc R t−¬ng øng cña chóng th−êng h−íng vÒ c¸c phÝa ®èi diÖn cña mÆt ph¼ng β. 23

§inh §oµn Long b) a) H×nh 1.9. Hai d¹ng cÊu tróc cña mÆt ph¼ng β. a) d¹ng mÆt ph¼ng β thuËn song song, b) d¹ng mÆt ph¼ng β ®èi song song (nguån: Branden C vµ Tooze J, 1999) CÊu h×nh mÆt ph¼ng β chñ yÕu xuÊt hiÖn ë hai d¹ng kh¸c nhau vÒ h−íng ph©n cùc cña c¸c chuçi β liÒn kÒ. ë d¹ng thø nhÊt, c¸c chuçi β liÒn kÒ cã h−íng ph©n cùc (tõ ®Çu C ®Õn ®Çu N) cïng chiÒu, t¹o nªn mÆt ph¼ng β thuËn song song (h×nh 1.9a). ë d¹ng thø hai, c¸c chuçi β liÒn kÒ ch¹y song song nh−ng theo chiÒu ng−îc nhau, nªn gäi lµ mÆt ph¼ng β ®èi song song (h×nh 1.9b). Mét sè mÆt ph¼ng β ®−îc t¹o ra bëi sù kÕt hîp cña c¶ c¸c hai d¹ng nµy, nh−ng Ýt phæ biÕn h¬n. Trong c¶ hai d¹ng mÆt ph¼ng β ®èi song song vµ thuËn song song, tÊt c¶ c¸c nhãm peptide ®Òu n»m trªn bÒ mÆt cña “mÆt ph¼ng t−¬ng ®èi”. C¸c nghiªn cøu cÊu h×nh kh«ng gian cña protein cho thÊy phÇn lín c¸c chuçi β cã xu h−íng h¬i vÆn xo¾n vÒ phÝa ph¶i däc theo chiÒu dµi cña nã. V× vËy, cÊu h×nh mÆt ph¼ng β cña protein kh«ng cã d¹ng ph¼ng tuyÖt ®èi, mµ cã xu h−íng cuén vßng lµm cÊu h×nh ph©n tö protein trë nªn chÆt h¬n. C¶ hai d¹ng chuçi xo¾n α vµ mÆt ph¼ng β ®Òu lµ c¸c d¹ng cÊu h×nh kh«ng gian æn ®Þnh. Tuy vËy, ®Ó cã ®−îc kh¶ n¨ng t−¬ng t¸c tèi ®a víi c¸c ph©n tö kh¸c trong qu¸ tr×nh biÓu hiÖn chøc n¨ng, c¸c ph©n tö protein ph¶i cã cÊu h×nh linh ho¹t h¬n. Kh¶ n¨ng c¸c chuçi bªn (gèc R) cã thÓ bÎ cong mét phÇn c¸c khung ph©n tö cã vai trß lµm t¨ng kh¶ n¨ng t¹o ra c¸c liªn kÕt thø cÊp cña c¸c ph©n tö protein. Ngoµi ra, trªn chuçi polypeptide cßn cã mét sè vïng cã cÊu h×nh Ýt tu©n theo qui luËt, cho phÐp chóng bÎ gËp (gäi lµ vÞ trÝ “nót th¾t”, h×nh 1.7) ë cuèi mçi vßng xo¾n α vµ/hoÆc gi÷a c¸c chuçi β. C¸c axit amin t¹i c¸c vÞ trÝ nót th¾t th−êng chØ cã vai trß nèi gi÷a c¸c vßng xo¾n α vµ mÆt ph¼ng β, vµ b¶n th©n chóng kh«ng cã cÊu h×nh bËc hai æn ®Þnh. C¸c “nót th¾t” nµy cã chiÒu dµi biÕn ®éng, cã thÓ tõ vµi axit amin ®Õn hµng chôc axit amin. Nh−ng, nh×n chung chóng chØ th−êng t−¬ng ®èi ng¾n. Mét yÕu tè quan träng kh¸c cã ¶nh h−ëng ®Õn sù gÊp nÕp cña c¸c ph©n tö protein lµ thµnh phÇn c¸c axit amin cã tÝnh kÞ n−íc. Trong m«i tr−êng n−íc, c¸c ph©n tö protein cã xu h−íng gÊp nÕp sao cho c¸c axit amin mang nh¸nh bªn (gèc R) kh«ng ph©n cùc ®−îc “giÊu” vµo phÝa trong (®Ó tr¸nh tiÕp xóc víi n−íc) vµ béc lé c¸c axit amin mang gèc R cã tÝnh ph©n cùc ra ngoµi. V× lý do nµy, nÕu mét ph©n tö protein cã sù gÊp nÕp kh«ng phï hîp hoÆc chøa phÇn lín c¸c gèc ph©n cùc th× th−êng kÐm bÒn trong m«i tr−êng n−íc. Nãi c¸ch kh¸c, trªn c¬ së hãa n¨ng, khi ph©n tö protein cµng chøa nhiÒu nh¸nh bªn kh«ng ph©n cùc th× cµng khã bÞ thñy ph©n, bëi lóc ®ã n¨ng l−îng ph¸ vì c¸c liªn kÕt cßn cÇn ®Ó cµi c¸c gèc kÞ n−íc vµo gi÷a c¸c ph©n tö n−íc. 24

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc 1.4.2. CÊu h×nh kh«ng gian ®Æc thï cña protein ®−îc quy ®Þnh bëi c¸c liªn kÕt hydro néi ph©n tö NÕu mét phÇn n¨ng l−îng ®−îc dïng ®Ó lµm æn ®Þnh mét ph©n tö protein cã nguån gèc tõ c¸c mèi t−¬ng t¸c kÞ n−íc, th× cÊu h×nh kh«ng gian ®Æc thï cña nã ®−îc quyÕt ®Þnh chñ yÕu bëi c¸c liªn kÕt hydro. Trong khi c¸c t−¬ng t¸c kÞ n−íc th−êng kh«ng phô thuéc vµo h−íng vµ vÞ trÝ cña c¸c gèc (nhãm chøc) cho vµ nhËn liªn kÕt, th× c¸c liªn kÕt hydro th−êng ®ßi hái c¸c gèc nµy ph¶i cã kho¶ng c¸ch vµ tÝnh ®Þnh h−íng nhÊt ®Þnh. Nh×n chung, c¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro trong ph©n tö protein th−êng thuéc vÒ nh÷ng cÆp nhãm chøc phï hîp. NÕu liªn kÕt hydro ®−îc t¹o nªn tõ c¸c cÆp nhãm chøc kh«ng phï hîp, th× n¨ng l−îng cÇn cho sù h×nh thµnh liªn kÕt cÇn lín h¬n (vµi kcal/liªn kÕt). Qua ®ã, vai trß cña liªn kÕt hydro trong ph©n tö protein chÝnh lµ lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña c¸c cÊu tróc kh«ng phï hîp (do thiÕu sù t−¬ng ®ång). 1.4.3. PhÇn lín protein cã cÊu t¹o kiÓu m«®un víi hai hoÆc ba domain (miÒn) chÝnh C¸c tiÓu ®¬n vÞ protein (mét chuçi polypeptide ®¬n lÎ) th−êng cã kÝch th−íc rÊt biÕn ®éng, tõ vµi chôc ®Õn vµi ngh×n axit amin. Chuçi polypeptide h×nh thµnh nªn mét ph©n tö protein ho¹t ®éng chøc n¨ng nhá nhÊt ®· biÕt cã chiÒu dµi kho¶ng 100 axit amin, khèi l−îng xÊp xØ 11.000 dalton (dalton ®−îc viÕt t¾t lµ Da, 1 Da = 1,67x10-24g). Nh−ng, nh×n chung hÇu hÕt c¸c chuçi polypeptide h×nh thµnh nªn c¸c ph©n tö protein ho¹t ®éng chøc n¨ng cã khèi l−îng tõ 20.000 ®Õn 70.000 Da. C¸c chuçi polypeptide cã khèi l−îng lín h¬n 20.000 Da th−êng ®−îc cÊu t¹o tõ hai hoÆc nhiÒu domain. ThuËt ng÷ “domain” ®−îc dïng ®Ó chØ c¸c miÒn cÊu tróc hoÆc chøc n¨ng kh¸c nhau trong ph©n tö protein. TÝnh bÒn v÷ng cña mçi domain trong dung dÞch th−êng kh¸c nhau. Th«ng th−êng, mçi domain th−êng ®−îc cÊu t¹o tõ mét chuçi axit amin liªn tiÕp, chø hiÕm khi nã tæ hîp tõ c¸c phÇn kh¸c nhau cña ph©n tö. §©y còng lµ mét ®Æc ®iÓm ®Ó x¸c ®Þnh mét protein cã bao nhiªu domain. 1.4.3.1. C¸c protein ®−îc cÊu t¹o chØ tõ mét sè Ýt c¸c motif (mÉu h×nh) Tr−íc ®©y, ng−êi ta cho r»ng sè motif protein cã thÓ cã lµ kh«ng giíi h¹n. Nh−ng gÇn ®©y, tõ kÕt qu¶ nghiªn cøu chi tiÕt cÊu h×nh cña hµng ngµn protein kh¸c nhau, ng−êi ta t×m thÊy mét ®iÒu ng¹c nhiªn lµ chØ cã mét sè l−îng Ýt c¸c motif c¬ b¶n ®−îc dïng phèi hîp víi nhau ®Ó t¹o nªn sù ®a d¹ng vµ phong phó cña c¸c ph©n tö protein. MÆc dï cho ®Õn nay ch−a gäi tªn ®−îc hÕt c¸c motif c¬ b¶n, nh−ng cã mét ®iÒu ch¾c ch¾n lµ sè motif c¬ b¶n nhá h¬n nhiÒu sè cÊu h×nh kh«ng gian vèn rÊt ®a d¹ng vµ phong phó cña protein. C¸c motif c¬ b¶n th−êng liªn quan ®Õn mét sè chøc n¨ng sinh häc nhÊt ®Þnh. Mét trong nh÷ng motif phæ biÕn nhÊt ®−îc gäi lµ gÊp nÕp nucleotide kÐp t×m thÊy ë c¸c enzym liªn kÕt ATP. Domain chøa motif nµy liªn kÕt víi ATP qua mét mÆt ph¼ng β ë trung t©m vµ cã c¸c chuçi xo¾n α ë hai bªn. VÞ trÝ liªn kÕt lµ ë ®Çu tËn cïng C cña chuçi β. C¸c ph©n tö protein cã cïng motif nµy chØ kh¸c vÒ sè l−îng vµ c¸ch s¾p xÕp cña c¸c chuçi xo¾n α vµ ®«i khi lµ trËt tù cña c¸c chuçi β. C¸c domain chøa c¸c motif t−¬ng tù ë c¸c lo¹i protein kh¸c nhau th−êng cã chøc n¨ng gièng nhau. 1.4.3.2. Chøc n¨ng protein cã thÓ thay ®æi do sù tæ hîp l¹i cña c¸c domain C¸c thuéc tÝnh vµ chøc n¨ng kh¸c nhau cña protein cã thÓ xuÊt hiÖn tõ sù tæ hîp kh¸c nhau gi÷a c¸c m«®un cña c¸c ph©n tö protein. Chóng ta cã thÓ liªn t−ëng ®iÒu nµy gièng víi viÖc l¾p r¸p mét bé m¸y tÝnh (PC) hiÖn nay th−êng ®−îc tæ hîp tõ nhiÒu m«®un (nh− bo m¹ch chñ, æ cøng, RAM, æ CD, mµn h×nh v.v....). §èi víi protein, cã rÊt nhiÒu vÝ dô chøng minh cho ®iÒu nµy. Ch¼ng h¹n nh− cã nhiÒu enzym dehydrogenase kh¸c nhau ho¹t ®éng trªn c¸c c¬ chÊt kh¸c nhau. Mçi enzym ®Òu cã hai domain. Mét domain lµ vÞ trÝ liªn 25

§inh §oµn Long kÕt víi coenzym NAD+ gåm hai nucleotide, cßn domain kia chøa vÞ trÝ liªn kÕt c¬ chÊt vµ vÞ trÝ xóc t¸c. C¸c enzym dehydrogenase chØ kh¸c nhau vÒ cÊu tróc cña domain thø hai. C¸c protein ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña gen còng lµ mét vÝ dô vÒ cÊu tróc protein d¹ng m«®un. ChÊt øc chÕ operon Lac (lac I) vµ protein ho¹t hãa gen CAP (xem ch−¬ng 5) ë E. coli ®Òu lµ c¸c protein cã nhiÒu domain kh¸c nhau. CÊu tróc d¹ng tinh thÓ cña CAP cho thÊy cã hai domain: mét domain lín liªn kÕt víi cAMP, cßn domain nhá thø hai chøa vÞ trÞ nhËn biÕt ADN (phÇn ®Çu 5’ cña promoter). Cã sù gièng nhau vÒ tr×nh tù c¸c axit amin trong domain lín cña CAP víi tr×nh tù cña mét tiÓu phÇn protein cña c¸c enzym kinase ho¹t ®éng phô thuéc vµo cAMP. §iÒu nµy cho thÊy vÞ trÝ liªn kÕt cAMP cña c¶ hai nhãm protein nµy cã thÓ cã cïng nguån gèc tiÕn hãa. ë CAP, domain liªn kÕt cAMP ®Ýnh kÕt víi domain liªn kÕt ADN, nhê vËy sù thay ®æi vÒ l−îng cAMP liªn kÕt sÏ ®ång thêi ®iÒu khiÓn møc ®é phiªn m·. ë enzym kinase, domain liªn kÕt cAMP ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña enzym tham gia ph©n gi¶i glycogen. 1.4.3.3. C¸c liªn kÕt yÕu x¸c ®Þnh vÞ trÝ ®Ýnh kÕt cña protein trªn ph©n tö ADN vµ ARN C¸c protein liªn kÕt ADN tham gia ®iÒu hßa nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc c¬ b¶n. C¸c liªn kÕt yÕu gióp cho c¸c ph©n tö protein ®Ýnh kÕt ®−îc víi ADN còng chÝnh lµ c¸c liªn kÕt gióp h×nh thµnh cÊu h×nh kh«ng gian ba chiÒu cña c¸c ph©n tö ADN, ARN vµ protein. C¸c protein liªn kÕt ADN phæ biÕn nhÊt chÝnh lµ c¸c protein cÊu tróc cã vai trß trong viÖc ®ãng gãi vµ thu nhá ADN võa vÆn vµo nh©n tÕ bµo. Cô thÓ, chóng ta biÕt r»ng, nh©n cña tÕ bµo ng−êi cã kÝch th−íc trung b×nh kho¶ng 10 µm (10-5 mÐt), nh−ng tæng chiÒu dµi ADN hÖ gen vµo kho¶ng 2 mÐt (~6,4x109 nucleotide x 3,4Å). Cã rÊt nhiÒu c¸ch ®Ó protein cã thÓ nhËn ra mét tr×nh tù ADN ®Æc thï. Mét sè kiÓu t−¬ng t¸c ADN-protein lµ ®Æc thï cho nh÷ng tr×nh tù nhÊt ®Þnh trªn ADN. Trong khi, c¸c kiÓu t−¬ng t¸c kh¸c biÓu hiÖn tÝnh ®Æc thï ®èi víi cÊu h×nh kh«ng gian gi÷a c¸c ph©n tö. VÝ dô: khi ADN ®−îc gi·n xo¾n trong qu¸ tr×nh sao chÐp hoÆc t¸i tæ hîp, th× ngay lËp tøc ADN m¹ch ®¬n ®−îc g¾n bëi c¸c protein liªn kÕt m¹ch ®¬n SSB (single strand binding protein). Nh÷ng protein nµy, dï kh«ng cã tÝnh ®Æc hiÖu cao víi tr×nh tù ADN sîi kÐp, nh−ng l¹i cã tÝnh liªn kÕt ®Æc hiÖu cao víi ADN m¹ch ®¬n. §Ó cã tÝnh chÊt nµy, c¸c protein SSB h×nh thµnh c¸c liªn kÕt ion vµ hydro víi khung phosphate cña ADN m¹ch ®¬n vµ qua viÖc xen cña c¸c chuçi bªn d¹ng vßng kÝch th−íc lín cña mét sè axit amin ®Æc thï (nh− tyrosine hoÆc tryptophane) vµo gi÷a c¸c baz¬ nit¬. HÇu hÕt c¸c protein liªn kÕt ADN ®−îc nh¾c ®Õn trong gi¸o tr×nh nµy lµ c¸c protein liªn kÕt tr×nh tù ®Æc hiÖu trªn ph©n tö ADN sîi kÐp. Nh÷ng protein ®ã th−êng liªn quan ®Õn viÖc t×m ra c¸c tr×nh tù ®Æc hiÖu trong hÖ gen (vÝ dô: c¸c ®iÓm khëi ®Çu sao chÐp hoÆc phiªn m·), hoÆc t¹i ®ã x¶y ra t¸i tæ hîp ADN. ¦íc l−îng cã kho¶ng 2 - 3% protein ë prokaryote (sinh vËt nh©n s¬) vµ 6 - 7% protein ë eukaryote (sinh vËt nh©n thËt) lµ c¸c protein liªn kÕt ®Æc hiÖu ADN. §Õn nay, c¬ chÕ phæ biÕn nhÊt ®Ó c¸c protein nhËn ra c¸c tr×nh tù ADN ®Æc hiÖu lµ qua viÖc cµi chuçi xo¾n α vµo khe chÝnh (cßn gäi lµ r·nh chÝnh) cña ph©n tö ADN sîi kÐp (xem ch−¬ng 3). ViÖc sö dông chuçi xo¾n α ®Ó cµi vµo khe chÝnh vµ viÖc nhËn biÕt tr×nh tù ADN ®Æc hiÖu cã mét sè −u ®iÓm sau ®©y: 1. ChiÒu réng vµ chiÒu s©u cña khe chÝnh trªn ADN sîi kÐp cã kÝch th−íc võa khÝt víi kÝch th−íc cña chuçi xo¾n α. Sù “võa khÝt” nh− vËy gióp c¸c liªn kÕt yÕu cã thÓ h×nh thµnh gi÷a ph©n tö ADN vµ mét bªn bÒ mÆt cña chuçi xo¾n α. 2. Khe chÝnh trªn ph©n tö ADN th−êng giµu c¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro. §iÒu quan träng h¬n lµ kiÓu h×nh liªn kÕt hydro lµ kh¸c nhau gi÷a c¸c cÆp baz¬ nit¬. §iÒu nµy cho phÐp c¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro ho¹t ®éng gièng nh− liªn kÕt hydro trong ph©n tö ADN, ®¶m b¶o cho viÖc nhËn biÕt ®−îc tr×nh tù ADN theo nguyªn t¾c bæ sung. H×nh 1.10 minh häa c¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro t¹i c¸c khe chÝnh vµ khe phô (r·nh phô) cña ph©n tö 26

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc ADN sîi kÐp. §iÒu ®¸ng chó ý ë ®©y lµ sù kÕt cÆp c¸c baz¬ liªn kÕt hydro t¹i c¸c khe chÝnh cña ADN kh«ng chØ gióp ph©n biÖt ®−îc c¸c cÆp G:C vµ A:T, mµ ngay c¶ gi÷a c¸c cÆp A:T vµ T:A, còng nh− G:C vµ C:G. Ng−îc l¹i, kiÓu h×nh kÕt cÆp baz¬ ë khe phô th−êng chØ ph©n biÖt ®−îc gi÷a c¸c cÆp A:T vµ G:C (nªn ®©y th−êng lµ vÞ trÝ liªn kÕt Ýt ®Æc hiÖu h¬n cña c¸c protein cÊu tróc, ch¼ng h¹n nh− c¸c histon). 3. Chuçi xo¾n α cã momen l−ìng cùc nªn ®Çu N cña nã tÝch ®iÖn d−¬ng. §Çu tÝch ®iÖn nµy th−êng t¹o liªn kÕt yÕu víi khung phosphate tÝch ®iÖn ©m ë gÇn khe chÝnh. Motif “xo¾n-uèn-xo¾n” lµ motif protein liªn kÕt ADN ®Çu tiªn ®−îc x¸c ®Þnh. Motif nµy gåm hai chuçi xo¾n α t¸ch biÖt nhau bëi mét vßng th¾t nhá. Mét trong hai chuçi α ®−îc dïng lµm chuçi nhËn biÕt ADN. C¸c motif protein liªn kÕt ADN kh¸c (nh− kiÓu “ngãn tay kÏm” hay “khãa kÐo l¬xin”, xem thªm ch−¬ng 5) còng th−êng cµi c¸c chuçi xo¾n α vµo khe chÝnh cña ADN. MÆc dï chuçi xo¾n α ®−îc sö dông phæ biÕn trong viÖc nhËn biÕt c¸c tr×nh tù ADN ®Æc hiÖu, cã mét sè protein sö dông c¬ chÕ kh¸c. Mét vÝ dô nh− vËy lµ protein liªn kÕt hép TATA (TBP) trong qu¸ tr×nh khëi ®Çu phiªn m· ë eukaryote. TBP sö dông mét vïng cña mÆt ph¼ng β ®Ó nhËn ra khe chÝnh cña tr×nh tù t¹i hép TATA. 1.4.3.4. Protein tr−ît däc ph©n tö ADN ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ liªn kÕt ®Æc thï RÊt nhiÒu protein liªn kÕt ADN th«ng qua tiÕp xóc víi phÇn khung ph©n tö ADN hoÆc víi tr×nh tù ®Æc hiÖu cña nã. §iÒu hßa c¸c ho¹t ®éng tiÕp xóc nµy lµ c¸c vïng chøa axit amin tÝch ®iÖn d−¬ng n»m gÇn c¸c vÞ trÝ liªn kÕt víi c¸c baz¬ nit¬. Sù kÕt hîp nµy vÒ c¬ b¶n phô thuéc vµo lùc tÜnh ®iÖn gi÷a c¸c vïng chøa axit amin tÝch ®iÖn d−¬ng víi khung phosphate tÝch ®iÖn ©m cña ADN. Do phÇn khung cña ADN lu«n cã bÒ mÆt tÝch ®iÖn ©m gièng nhau, nªn dï tr×nh tù axit amin nh− thÕ nµo, th× lùc t−¬ng t¸c tÜnh ®iÖn còng lu«n lµ mét phÇn ®¸ng kÓ, dï cã hay kh«ng mét ¸i lùc ®Æc tr−ng. NghÜa lµ, thËm chÝ mét ph©n tö protein liªn kÕt ADN cã tÝnh chän läc rÊt cao, th× nã còng cã ¸i lùc ®¸ng kÓ víi c¸c tr×nh tù ADN kh«ng ®Æc hiÖu kh¸c. Tuy vËy, ¸i lùc liªn kÕt th−êng lín h¬n rÊt nhiÒu khi protein g¾n kÕt vµo ®óng tr×nh tù ®Æc hiÖu cña nã. VÝ dô nh− ¸i lùc liªn kÕt cña chÊt øc chÕ operon Lac (LacI) vµo tr×nh tù chØ huy O (operator) lµ cao gÊp 105 lÇn so víi ¸i lùc cña chóng vµo nh÷ng tr×nh tù ADN kh«ng ®Æc hiÖu kh¸c. Nh− vËy, trong tÕ bµo c¸c protein g¾n vµo nhiÒu vÞ trÝ kh«ng ®Æc hiÖu trªn ph©n tö ADN còng nh− ë c¸c vÞ trÝ ADN ®Æc thï cña nã. Së dÜ nh− vËy, bëi v× trong hÖ gen, sè c¸c vÞ trÝ kh«ng ®Æc hiÖu nhiÒu h¬n rÊt nhiÒu so víi sè c¸c vÞ trÝ ®Æc hiÖu. Thùc tÕ, mäi nucleotide trong hÖ gen ®Òu cã thÓ coi lµ vÞ trÝ b¾t ®Çu cña mét tr×nh tù liªn kÕt kh«ng ®Æc hiÖu. Nãi c¸ch kh¸c, hÖ gen E. coli gåm ~5x106bp th× còng cã nghÜa nã cã ~5x106 vÞ trÝ g¾n kh«ng ®Æc hiÖu. Ta cã thÓ thÊy, mÆc dï ¸i lùc t¹i vÞ trÝ g¾n ®Æc hiÖu cao h¬n nhiÒu lÇn (105) t¹i vÞ trÝ kh«ng ®Æc hiÖu, nh−ng sè tr×nh tù kh«ng ®Æc hiÖu so víi tr×nh tù ®Æc hiÖu cßn lín h¬n nhiÒu (5x106). §iÒu nµy gi¶i thÝch cho viÖc t¹i sao tÕ bµo cïng lóc ph¶i cã nhiÒu ph©n tö protein øc chÕ kh¸c nhau míi ®¶m b¶o ®−îc viÖc c¸c vÞ trÝ liªn kÕt ADN ®Æc hiÖu lu«n cã xu h−íng ®−îc liªn kÕt bëi c¸c protein ®iÒu hßa ®Æc hiÖu t−¬ng øng. Nh−ng ng−îc l¹i, phÇn lín c¸c ph©n tö protein ®iÒu hßa l¹i g¾n vµo c¸c tr×nh tù kh«ng ®Æc hiÖu. Mèi t−¬ng t¸c protein-ADN kh«ng ®Æc hiÖu nªu trªn kh«ng chØ ®¬n thuÇn lµ kÕt qu¶ ®−¬ng nhiªn cña viÖc protein sö dông khung ADN ®Ó g¾n kÕt, mµ ng−êi ta cho r»ng kiÓu liªn kÕt nµy cã t¸c dông gióp mét lo¹i protein nµo ®ã t×m ra tr×nh tù ®Æc thï cña nã nhanh h¬n. C¸c protein liªn kÕt kh«ng ®Æc hiÖu (trªn c¬ së c¸c liªn kÕt tÜnh ®iÖn tr¸i dÊu), sÏ khuÕch t¸n däc theo ph©n tö ADN, chø kh«ng ph¶i theo kiÓu “nh¶y lß cß”, ®Ó t×m ra c¸c tr×nh tù ®Æc thï cña chóng. Sù khuÕch t¸n nh− vËy cho phÐp c¸c ph©n tö protein nhanh chãng t×m ra môc tiªu liªn kÕt trªn ph©n tö ADN. Bëi v× b»ng viÖc tr−ît däc theo ph©n tö 27

§inh §oµn Long ADN, c¸c protein sÏ t×m ®Õn vÞ trÝ liªn kÕt ®Æc hiÖu cña chóng nhanh h¬n khi chóng khuÕch t¸n tù do trong kh¾p tÕ bµo. Khe chÝnh Khe chÝnh A           Khe phô Khe phô Khe chÝnh Khe chÝnh           Khe phô Khe phô H×nh 1.10. C¸c nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro t¹i c¸c vïng khe chÝnh vµ phô trªn ph©n tö ADN sîi kÐp.  nguyªn tö nhËn liªn kÕt hydro,  nguyªn tö cho liªn kÕt hydro,  nguyªn tö hydro kh«ng ph©n cùc,  c¸c gèc methyl (nguån: Watson et al., 2004) Mét sè protein liªn kÕt ADN kh«ng chØ cã kh¶ n¨ng khuÕch t¸n trªn ph©n tö ADN, mµ thay vµo ®ã chóng tr−ît däc trªn ph©n tö ADN mét c¸ch chñ ®éng. Nh÷ng protein nµy chuyÓn ®éng cã h−íng trªn ph©n tö ADN ®Ó thùc hiÖn nh÷ng chøc n¨ng cña chóng trong qu¸ tr×nh sao chÐp, söa ch÷a vµ t¸i tæ hîp ADN. Do chuyÓn ®éng nµy lµ cã h−íng, nªn c¸c protein nµy cÇn n¨ng l−îng vµ th−êng ®−îc lÊy tõ ATP. 1.4.3.5. Protein cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau ®Ó nhËn biÕt ARN Chóng ta biÕt r»ng ARN cã cÊu tróc ®a d¹ng h¬n so víi ADN. C¸c protein liªn kÕt ARN cã nhiÒu vai trß kh¸c nhau, tõ viÖc gi÷ æn ®Þnh cÊu tróc ARN cho ®Õn viÖc thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng cña enzym. CÊu tróc kh¸c nhau cña c¸c protein khi liªn kÕt vµo c¸c ph©n tö ARN ®Ých cho thÊy chóng cã nhiÒu c¸ch ®Ó nhËn biÕt tr×nh tù ARN. 28

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Mét sè protein chØ liªn kÕt ®Æc hiÖu víi ARN cã cÊu tróc d¹ng sîi kÐp. Trong tr−êng hîp nµy, protein nhËn ra nh÷ng ®Æc ®iÓm ph©n biÖt ARN víi ADN. VÝ dô nh− sù cã mÆt cña nhãm C2’-OH lµ ®Æc ®iÓm ph©n biÖt râ ARN, hoÆc nh− d¹ng cÊu tróc phæ biÕn cña ARN lµ d¹ng A (cã c¸c khe chÝnh s©u vµ hÑp h¬n so víi d¹ng B lµ d¹ng phæ biÕn cña ADN sîi kÐp). Nh−ng kh«ng gièng c¸c protein liªn kÕt ADN, c¸c protein liªn kÕt ARN th−êng kh«ng sö dông c¸c chuçi xo¾n α ®Ó cµi vµo c¸c khe trªn ARN. RÊt nhiÒu protein liªn kÕt ARN kh«ng dùa trªn cÊu h×nh kh«ng gian ®Òu ®Æn cña ph©n tö, trong ®ã bao gåm c¶ c¸c protein liªn kÕt víi mARN trong qu¸ tr×nh phiªn m· vµ hoµn thiÖn ARN. T−¬ng tù nh− vËy, bé m¸y c¾t intron còng nh− dÞch m· ARN lµ phøc hÖ cña protein vµ ARN. Motif cña c¸c ribonuclear protein (RNP) nµy lµ mét trong nh÷ng motif “protein liªn kÕt ARN” phæ biÕn nhÊt. Motif nµy chøa mét ph©n vïng gåm 80 axit amin víi cÊu tróc gÊp α-β hçn hîp, cã tÝnh ®Æc thï cao víi bÒ mÆt liªn kÕt cña ARN theo kiÓu “ch×a khãa tra vµo æ khãa”. 1.4.4. Qui t¾c dÞ h×nh cña protein: sù ®iÒu hßa chøc n¨ng protein th«ng qua sù thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian cña chóng Sù ®Ýnh kÕt cña c¸c ph©n tö kÝch th−íc lín hoÆc nhá (gäi chung lµ chÊt g¾n ®Æc hiÖu - ligand) vµo mét ph©n tö protein cã thÓ lµm thay ®æi c¨n b¶n cÊu h×nh kh«ng gian cña ph©n tö protein ®ã. Nh÷ng thay ®æi vÒ cÊu h×nh cã thÓ g©y nªn nhiÒu hiÖu øng kh¸c nhau, tõ viÖc lµm t¨ng ¸i lùc cña mét ph©n tö protein nµo ®ã víi chÊt g¾n ®Æc hiÖu thø hai, cho tíi viÖc cã thÓ “bËt” hay “t¾t” ho¹t tÝnh enzym cña mét ph©n tö protein. C¬ chÕ nµy ®−îc gäi chung lµ qui t¾c dÞ h×nh vµ lµ mét trong c¸c c¬ chÕ ®iÒu hßa phæ biÕn trong c¸c hÖ thèng sinh häc. “DÞ h×nh” ë ®©y cã nghÜa lµ “cã c¸c d¹ng cÊu h×nh kh¸c nhau”. C¬ chÕ nµy vÒ c¬ b¶n cã thÓ tãm t¾t nh− sau: mét ligand (cßn gäi lµ chÊt kÝch øng dÞ h×nh hay phèi thÓ) ®Ýnh kÕt vµo mét ph©n tö protein vµ lµm thay ®æi cÊu h×nh cña nã (th−êng liªn quan ®Õn c¸c vÞ trÝ ho¹t ®éng hoÆc c¸c vÞ trÝ liªn kÕt kh¸c cña protein) dÉn ®Õn lµm t¨ng hay gi¶m ho¹t ®é cña protein. Cã v« sè c¸c vÝ dô vÒ c¸c protein ho¹t ®éng theo qui t¾c dÞ h×nh, bao gåm tõ c¸c enzym trong c¸c con ®−êng trao ®æi chÊt ®Õn c¸c lo¹i protein tham gia ®iÒu hßa phiªn m·. Tuy nhiªn, cã ba kiÓu ®iÒu hßa c¬ chÕ dÞ h×nh c¬ b¶n. KiÓu thø nhÊt liªn quan ®Õn c¸c ligand. Trong ®ã, c¸c chÊt kÝch øng dÞ h×nh phæ biÕn nhÊt lµ c¸c ph©n tö cã kÝch th−íc nhá (nh− ®−êng hay mét sè axit amin). KiÓu thø hai liªn quan ®Õn sù ®iÒu hßa quy t¾c dÞ h×nh bëi chÝnh sù ®Ýnh kÕt gi÷a c¸c lo¹i protein kh¸c nhau. Tr−êng hîp thø ba liªn quan ®Õn sù biÕn ®æi ë mét sè tiÓu phÇn axit amin trong c¸c ph©n tö protein (ch¼ng h¹n nh− sù phosphoryl hãa vµ/hoÆc methyl ho¸). D−íi ®©y lµ mét sè vÝ dô. 1.4.4.1. Qui t¾c dÞ h×nh liªn quan ®Õn ba kiÓu c¬ b¶n: qua t¸c ®éng cña c¸c ligand, qua t−¬ng t¸c protein-protein vµ qua sù biÕn ®æi cña c¸c protein Ligand kÝch th−íc nhá - sù ®iÒu hßa chÊt øc chÕ operon Lac (LacI) bëi allolactose: Gen lacI ë E. coli m· hãa cho chÊt øc chÕ (LacI) cña operon Lac. Thùc tÕ ®©y lµ ph©n tö protein liªn kÕt ADN ho¹t ®éng theo c¬ chÕ dÞ h×nh ®Çu tiªn ®−îc t×m thÊy. Protein nµy tham gia ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña gen. Khi g¾n vµo ADN, nã ng¨n c¶n sù phiªn m· cña c¸c gen mµ tÕ bµo cÇn thiÕt ®Ó cã thÓ chuyÓn hãa lactose lµm nguån cacbon khi thiÕu glucose. Tuy vËy, sau khi lactose cã mÆt trong m«i tr−êng, nã sÏ ®−îc chuyÓn thµnh mét dÉn xuÊt ®Æc biÖt gäi lµ β-1,6-allolactose. ChÊt nµy sÏ kÝch øng sù biÓu hiÖn c¸c gen cÊu tróc cña operon Lac. ChÊt kÝch øng allolactose ho¹t ®éng qua viÖc ®Ýnh kÕt trùc tiÕp vµo LacI, dÉn ®Õn sù mÊt æn ®Þnh trong mèi t−¬ng t¸c gi÷a protein LacI víi tr×nh tù ADN ®Æc thï cña nã. Ph©n tÝch cÊu tróc cho thÊy, LacI ®· bÞ thay ®æi cÊu h×nh kh«ng gian sau khi ®Ýnh kÕt víi chÊt kÝch øng. LacI lµ mét protein cã kÝch th−íc lín (155 kDa), víi ®Çu N tËn cïng (c¸c axit amin tõ 1 - 49) cã motif xo¾n-uèn-xo¾n. §©y chÝnh lµ vïng cµi vµo khe chÝnh cña ph©n 29

§inh §oµn Long tö ADN sîi kÐp. Ngay c¹nh vïng a) b) chøa motif nµy cã mét cÊu tróc “xo¾n èc” gäi lµ “vïng xo¾n èc b¶n lÒ” liªn kÕt víi khe phô cña ph©n tö ADN. ViÖc so s¸nh cÊu h×nh cña LacI ChÊt kÝch øng (allolactose) ë hai tr¹ng th¸i liªn kÕt vµ kh«ng liªn kÕt víi ADN (trong ®ã, ë tr−êng hîp H×nh 1.11. Sù thay ®æi dÞ h×nh cña chÊt øc chÕ LacI. a) H×nh tr¸i minh häa cÊu tróc kÐp (dimer) cña protein thø hai, LacI liªn kÕt víi β-1,6- LacI. Khi protein LacI bÞ g¾n bëi chÊt kÝch øng allolactose) cho thÊy râ t¹i sao hai (allolactose), ph©n tö nµy kh«ng liªn kÕt ®−îc vµo tr×nh tr¹ng th¸i cÊu h×nh nµy cã tÝnh chÊt tù chØ huy (operator) cña operon Lac, b) Khi v¾ng mÆt “lo¹i trõ” lÉn nhau (h×nh 1.11). Sù chÊt kÝch øng, cÊu tróc ®Çu N cña LacI trë nªn cã ¸i lùc thay ®æi cÊu h×nh cña LacI sau khi cao vµ liªn kÕt víi operator (nguån: Lewis, 1996) liªn kÕt víi chÊt kÝch øng ®· lµm gi¶m ¸i lùc liªn kÕt cña nã víi vÞ trÝ ®Æc hiÖu trªn ADN. Mét vÝ dô kh¸c trªn h×nh 1.12 còng cho thÊy hiÖu qu¶ g©y ra do chÊt ligand (ë ®©y lµ CTP) ®èi víi sù thay ®æi dÞ h×nh vµ ho¹t tÝnh cña enzym aspartate transcarbamoylase. ChÊt kÝch øng cã b¶n chÊt protein - sù ho¹t hãa Cdk bëi cyclin: B©y giê chóng ta h·y xem tr−êng hîp ®iÒu hßa dÞ h×nh cña mét protein khi t−¬ng t¸c víi mét protein kh¸c. Enzym Cdk2 lµ mét trong c¸c enzym kinase ho¹t ®éng phô thuéc vµo cyclin (hä enzym nµy ®−îc gäi chung lµ Cdk) tham gia ®iÒu hßa chu tr×nh tÕ bµo. Cdk2 th−êng ë tr¹ng th¸i kh«ng ho¹t ®éng cho ®Õn khi nã ®Ýnh kÕt víi protein ®iÒu hßa lµ cyclin. Khi cyclin ®Ýnh kÕt vµo Cdk2, nã kÝch øng lµm thay ®æi cÊu h×nh cña protein nµy quanh vÞ trÝ xóc t¸c vµ gãp phÇn ho¹t hãa enzym nµy. Theo sau ®ã, mét sù biÕn ®æi (phosphoryl hãa) cña axit amin threonine (Thr) gÇn vÞ trÝ xóc t¸c sÏ ho¹t hãa toµn phÇn enzym nµy. C¸c ph©n tÝch cÊu tróc cho thÊy: gièng víi mäi enzym kinase kh¸c, Cdk2 cã hai yÕu tè quan träng, ®ã lµ mét chuçi xo¾n α gäi lµ vßng xo¾n PSTAIRE vµ mét vßng th¾t cã tÝnh linh ho¹t gäi lµ vßng th¾t T. Hai yÕu tè nµy ®Òu n»m gÇn vÞ trÝ xóc t¸c cña kinase. Khi cyclin ®Ýnh kÕt víi Cdk2, nã lµm thay ®æi cÊu h×nh vßng xo¾n PSTAIRE vµ vßng th¾t T. Khi kh«ng cã cyclin, vßng th¾t T chÆn phÝa tr−íc vÞ trÝ C¸c chuçi xóc t¸c, cßn vßng xo¾n polypeptide xóc t¸c Chuçi PSTAIRE bÞ ®Èy ra xa vÞ trÝ polypeptide nµy (lµm cho axit amin ®iÒu hßa glycine - Gly -cã vai trß thiÕt a) b) yÕu ®èi víi ho¹t tÝnh xóc t¸c cña enzym bÞ ®Èy ra xa khái vÞ trÝ xóc t¸c). Nh−ng khi cyclin ®Ýnh kÕt, vßng xo¾n PSTAIRE vµ glutamate ®−îc C¬ chÊt VÞ trÝ g¾n VÞ trÝ ChÊt øc chÊt øc chÕ xóc t¸c chÕ (CTP) ®−a ®Õn gÇn vÞ trÝ xóc t¸c vµ enzym ®−îc ho¹t hãa. §ång thêi lóc ®ã, vßng th¾t T bÞ H×nh 1.12. Sù thay ®æi dÞ h×nh cña enzym aspartate ®Èy ra xa khái vÞ trÝ xóc t¸c, transcarbamoylase (ATCase) bëi chÊt øc chÕ CTP. cho phÐp c¬ chÊt dÔ dµng tiÕp a) Enzym ë tr¹ng th¸i ho¹t ®éng, b) Enzym ë tr¹ng th¸i kh«ng ho¹t xóc vµo vÞ trÝ xóc t¸c, vµ ®éng do sù ®Ýnh kÕt cña chÊt øc chÕ (nguån: Watson et al., 2004) ph¶n øng x¶y ra dÔ dµng. 30

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc Ho¹t hãa protein bëi qu¸ tr×nh phosphoryl hãa - sù ho¹t hãa Cdk bëi CAK: Trªn ®©y, chóng ta ®· ®Ò cËp ®Õn sù ho¹t hãa mét phÇn enzym Cdk bëi sù ®Ýnh kÕt víi c¸c cylin. Nh−ng Cdk chØ ®−îc ho¹t hãa toµn phÇn khi cã thªm mét sù thay ®æi cÊu h×nh thø hai, ®ã lµ qu¸ tr×nh phosphoryl hãa protein. Sù phosphoryl hãa nµy x¶y ra ë threonine n»m trong vßng th¾t T. Sau khi nhãm phosphate ®−îc g¾n vµo threonine, mét “cÇu” liªn kÕt víi ba axit amin arginine quanh vÞ trÝ xóc t¸c ®−îc h×nh thµnh. Nhê ®ã, cÊu h×nh kh«ng gian t¹i vÞ trÝ xóc t¸c trë nªn æn ®Þnh vµ enzym ®¹t ho¹t lùc cao nhÊt. Sù phosphoryl hãa diÔn ra ®−îc lµ nhê mét enzym kinase kh¸c, gäi lµ CAK (Cdk activating kinase, tøc lµ kinase ho¹t hãa Cdk). RÊt nhiÒu enzym kinase ®Òu ®−îc ho¹t hãa bëi c¬ chÕ t−¬ng tù. Nh− vËy, ph¶i cã hai b−íc trong qu¸ tr×nh ho¹t hãa Cdk, ®ã lµ sù liªn kÕt cña cyclin vµ sù phosphoryl hãa. Quan hÖ cña hai qu¸ tr×nh cã tÝnh t−¬ng hç, bëi v× viÖc liªn kÕt cña cyclin kh«ng chØ lµm t¨ng ho¹t tÝnh enzym mµ cßn lµm cho vßng th¾t T cã thÓ tiÕp xóc ®−îc víi CAK ®Ó sù phosphoryl hãa cã thÓ x¶y ra. 1.4.4.2. Kh«ng ph¶i tÊt c¶ protein ®Òu ®−îc ®iÒu hßa chøc n¨ng bëi c¬ chÕ dÞ h×nh Mét sè protein ®−îc ®iÒu hßa chøc n¨ng kh«ng dùa trªn c¬ chÕ dÞ h×nh. Ch¼ng h¹n, mét lo¹i protein cã thÓ ®−îc huy ®éng ®Õn mét vÞ trÝ ®Æc thï trong tÕ bµo hoÆc tíi vÞ trÝ cña c¬ chÊt vµ t−¬ng t¸c víi c¸c ph©n tö kh¸c tr−íc khi chuyÓn sang tr¹ng th¸i ho¹t ®éng. VÝ dô vÒ sù ®iÒu hßa nµy lµ c¸c enzym phiªn m· ARN polymerase tr−íc qu¸ tr×nh phiªn m·. ViÖc chän ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen nµo vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh ®−îc thùc hiÖn bëi c¸c protein ®iÒu hßa. Phøc hÖ protein ®iÒu hßa nµy cã mét phÇn bÒ mÆt liªn kÕt víi ADN cßn phÇn bÒ mÆt kh¸c liªn kÕt víi ARN polymerase. Sù t−¬ng t¸c nµy cña phøc hÖ protein ®iÒu hßa gióp huy ®éng enzym ®Æc thï tíi vÞ trÝ cña gen (hoÆc c¸c gen) cã vÞ trÝ liªn kÕt phï hîp víi c¸c protein ®iÒu hßa t−¬ng øng. HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ sù liªn hîp gi÷a ADN vµ protein. 31

Ch−¬ng 2 cÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña C¸C §¹I PH¢N Tö SINH HäC - adn, arn Vµ PRoTeIN 2.1. C¸c axit nucleic – ADN vµ ARN 2.1.1. Axit nucleic lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn Ngµy 25 th¸ng 4 n¨m 1953 ®¸nh dÊu mét b−íc ngoÆt trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña lÜnh vùc di truyÒn häc hiÖn ®¹i khi James Watson (nhµ Sinh häc ng−êi Mü) vµ Francis Crick (nhµ VËt lý ng−êi Anh) lµ ®ång t¸c gi¶ c«ng bè bµi b¸o “M« h×nh cÊu tróc ph©n tö cña axit nucleic: mét cÊu tróc cña axit deoxyribose nucleic” trªn t¹p chÝ “Nature”. ë ®o¹n kÕt cña bµi b¸o, c¸c t¸c gi¶ viÕt: “§iÒu ¸m ¶nh chóng t«i lµ nguyªn t¾c kÕt cÆp bæ sung cña c¸c baz¬ nit¬ cã thÓ chØ ra mét c¬ chÕ sao chÐp vËt chÊt di truyÒn”. C«ng bè cña Watson vµ Crick ®−îc coi lµ mèc ®¸nh dÊu b−íc ngoÆt ph¸t triÓn cña lÜnh vùc di truyÒn häc ph©n tö, lÜnh vùc chuyªn nghiªn cøu vÒ cÊu tróc, chøc n¨ng vµ c¬ chÕ vËn ®éng cña vËt chÊt di truyÒn ë møc ®é ph©n tö vµ d−íi tÕ bµo. Tuy vËy, trong thùc tÕ tr−íc khi Watson vµ Crick c«ng bè vÒ m« h×nh ADN ®· cã mét sè nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh nh»m t×m hiÓu vÒ cÊu tróc vµ chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc nµy. Nghiªn cøu ®Çu tiªn ph¶i kÓ ®Õn lµ c«ng tr×nh cña Friedrich Miescher. N¨m 1871, Miescher lµ ng−êi ®Çu tiªn ph¸t hiÖn ra axit nucleic tõ nh©n cña tinh trïng c¸ håi (lóc ®ã «ng gäi lµ nuclein) vµ nhËn ®Þnh vÒ kh¶ n¨ng cã vai trß di truyÒn cña axit nucleic. C«ng tr×nh nghiªn cøu cña Friedriech Mischer ®−îc c«ng bè hÇu nh− cïng thêi víi c¸c nghiªn cøu cña Gregor Mendel (1866) - ng−êi ®· ph¸t hiÖn ra c¸c quy luËt vËn ®éng cña c¸c “nh©n tè di truyÒn”, mµ sau nµy chóng ta gäi ®ã lµ c¸c “gen”, th«ng qua c¸c thÝ nghiÖm lai t¹o ë c©y ®Ëu Hµ Lan. Mét ®iÒu thó vÞ lµ hai nhµ khoa häc nµy lóc c«ng bè c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu cña m×nh ®· kh«ng hÒ biÕt vÒ nghiªn cøu vµ ph¸t hiÖn cña ng−êi kia. Trong thùc tÕ, c¸c ph¸t hiÖn cña Gregor Mendel vµ Friedrich Miescher sau nµy ®· më ra mét thêi kú ph¸t triÓn míi cña Di truyÒn häc, khi mµ c¸c nghiªn cøu sau ®ã ®· cã nh÷ng c¬ së c¨n b¶n ®Ó t×m hiÓu s©u h¬n vÒ cÊu tróc, chøc n¨ng vµ c¬ chÕ vËn ®éng cña vËt chÊt di truyÒn. V× lý do ®ã, nh÷ng n¨m cuèi thÕ kû XVIII ®−îc coi lµ giai ®o¹n khai sinh cña Di truyÒn häc hiÖn ®¹i. Tõ giai ®o¹n nµy, cã thÓ nãi phÇn lín c¸c nghiªn cøu thuéc Di truyÒn häc cã xu h−íng tËp trung vµo hai h−íng chÝnh. NÕu nh− c¸c c«ng tr×nh cña Mendel khëi ®Çu cho sù ra ®êi vµ ph¸t triÓn cña lÜnh vùc Di truyÒn häc truyÒn thèng (conventional genetics), trong ®ã c¬ chÕ vËn ®éng cña vËt chÊt di truyÒn ®−îc t×m hiÓu th«ng qua c¸c ph−¬ng ph¸p lai t¹o kÕt hîp víi thèng kª to¸n häc; th× nghiªn cøu cña Friedrich Miescher ®−îc coi lµ sù khëi ®Çu cña lÜnh vùc Di truyÒn häc ph©n tö (molecular genetics), mµ theo ®ã c¸c nhµ nghiªn cøu ngµy cµng ®i s©u t×m hiÓu vÒ vËt chÊt di truyÒn d−íi gãc ®é cÊu tróc vµ chøc n¨ng. Hai h−íng nghiªn cøu nµy sau ®ã tån t¹i song song cïng ph¸t triÓn, hç trî bæ sung cho nhau ®Ó h×nh thµnh nªn hai h−íng nghiªn cøu c¬ b¶n cña Di truyÒn häc hiÖn ®¹i. 32

Ch−¬ng 2. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña c¸c ®¹i ph©n tö sinh häc – ADN, ARN vµ protein Theo h−íng nghiªn cøu di truyÒn ph©n tö, ®Õn ®Çu thÕ kû XIX, Kossel lµ ng−êi x¸c ®Þnh ®−îc thµnh phÇn cÊu t¹o cña c¸c axit nucleic bao gåm c¸c baz¬ nit¬ (adenine, guanine, cytosine vµ thymine hoÆc uracil), mét tiÓu ph©n tö ®−êng vµ nhãm phosphate. §Õn n¨m 1930, Levene cïng céng sù ph¸t hiÖn ra c¸c ph©n tö ®−êng cã trong thµnh phÇn nuclein lµ deoxyribose. §ång thêi, nhãm t¸c gi¶ nµy còng chøng minh ®−îc r»ng trong tÕ bµo cã c¶ hai d¹ng cña axit nucleic: axit ribonucleic (viÕt t¾t lµ ARN) vµ axit deoxyribonucleic (ADN). Nh− vËy, nh÷ng n¨m 1930 cã thÓ ®−îc xem lµ thêi kú tËp trung cho c¸c nghiªn cøu vÒ thµnh phÇn cña c¸c axit nucleic. Tõ ®ã ®Õn nay, cÊu tróc vµ chøc n¨ng cña c¸c axit nucleic ngµy cµng ®−îc hiÓu biÕt s©u h¬n víi vai trß lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn. Tr−íc khi t×m hiÓu vÒ cÊu tróc cña c¸c axit nucleic vµ b»ng c¸ch nµo c¸c hîp chÊt nµy cã thÓ l−u tr÷ vµ truyÒn t¶i th«ng tin di truyÒn, chóng ta h·y xem xÐt mét sè b»ng chøng chøng minh axit nucleic (ADN vµ ARN) chÝnh lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn. 2.1.2. B»ng chøng vÒ vai trß mang th«ng tin di truyÒn cña axit nucleic Cã rÊt nhiÒu b»ng chøng chøng tá axit nucleic lµ vËt chÊt mang th«ng tin di truyÒn. Tuy vËy, ë ®©y chóng ta chØ nªu 3 dÉn chøng ®iÓn h×nh: 1) Axit nucleic hÊp thô tia tö ngo¹i cùc ®¹i ë b−íc sãng 260 nm. B−íc sãng nµy còng lµ b−íc sãng mµ tia tö ngo¹i g©y tÇn sè ®ét biÕn cao nhÊt ë c¸c tÕ bµo. Trong khi ®ã, ®é hÊp thô cùc ®¹i cña protein lµ ë b−íc sãng 280 nm. 2) N¨m 1928, mét y sü qu©n y ng−êi Anh lµ Frederick Griffith khi nghiªn cøu ë vi khuÈn Streptococcus pneumoniae ph¸t hiÖn thÊy cã 2 chñng kh¸c nhau: chñng S cã khuÈn l¹c nh½n (S = smooth) lµm chÕt chuét khi ®em tiªm vµo chuét. Trong khi ®ã chñng R khuÈn l¹c nh¨n (R = rough) l¹i kh«ng g©y chÕt chuét. ¤ng tiÕn hµnh lµm thÝ nghiÖm nh− sau: a) Khi tiªm vi khuÈn chñng R vµo chuét thÊy chuét kh«ng chÕt. Khi tiªm vi khuÈn chñng S vµo chuét thÊy chuét chÕt. Khi tiªm vi khuÈn chñng S ®· bÞ bÊt ho¹t bëi nhiÖt thÊy chuét kh«ng chÕt. §iÒu nµy chøng tá chñng S g©y chÕt, cßn chñng R kh«ng g©y chÕt, ®ång thêi chñng S bÞ bÊt ho¹t bëi nhiÖt còng kh«ng g©y chÕt. b) Tuy vËy, khi tiªm hçn hîp c¸c vi khuÈn chñng R cßn sèng víi c¸c vi khuÈn chñng S ®· bÞ bÊt ho¹t bëi nhiÖt vµo chuét th× chuét chÕt vµ tõ chóng Griffith ph©n lËp ®−îc chñng vi khuÈn S sèng. Râ rµng, ®· cã mét t¸c nh©n nµo ®ã ®−îc truyÒn tõ vi khuÈn S bÞ bÊt ho¹t vµo vi khuÈn R ®Ó h×nh thµnh nªn vi khuÈn S cã t¸c dông g©y chÕt. Qu¸ tr×nh nµy sau ®ã ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh biÕn n¹p. Sau thÝ nghiÖm cña Griffith vµi n¨m, Alloway chøng minh ®−îc r»ng dÞch chiÕt th« cña chñng vi khuÈn S ®· lo¹i bá thµnh tÕ bµo (nhê ph−¬ng ph¸p läc) cã thÓ th©m nhËp vµo trong tÕ bµo chñng R. §Õn n¨m 1944, Avery, MacLeod vµ McCartey ®· chøng minh ®−îc nh©n tè biÕn n¹p trong thÝ nghiÖm cña Griffith chÝnh lµ ADN. 3) N¨m 1957, Corat vµ Singer ®· c«ng bè thÝ nghiÖm “l¾p r¸p” virut ®èm thuèc l¸ lµ virut kh«ng chøa ADN, mµ chØ cã ARN vµ vá protein. Chóng cã hai d¹ng A vµ B. C¸c t¸c gi¶ ®· l¾p r¸p ®−îc lâi cña d¹ng nµy víi vá cña d¹ng kia. Sau ®ã lÇn l−ît ®em nhiÔm tõng lo¹i vµo thuèc l¸ ®Ó g©y ®èm. KÕt qu¶ cho thÊy tÊt c¶ thÕ hÖ virut con ph©n lËp ®−îc tõ c¸c c©y bÞ l©y bÖnh ®Òu ë cïng mét d¹ng vµ lµ d¹ng cña lâi ARN ®em nhiÔm chø kh«ng ph¶i d¹ng cña vá protein. Nh− vËy, râ rµng th«ng tin di truyÒn chøa trong ARN chø kh«ng ph¶i trong vá protein. §Õn nay, chóng ta ®· biÕt râ vËt chÊt di truyÒn cña phÇn lín c¸c loµi sinh vËt lµ ADN, vµ ë mét sè virut lµ ARN. 33