Bài giảng Chuyển hóa acid nucleic

Nội dung text: Bài giảng Chuyển hóa acid nucleic

1. Chương 16: CHUYỂN HĨA ACID NUCLEIC -Thối hĩa va sth các base purin và pyrimidin -Quá trình sinh tổng hợp AND -Quá trình sinh tổng hợp ARN
2. 1. Sự phân giải các acid nucleic Sơ đồ phân giải chung Acid nucleic => nucleotid => nucleosid Base N + pentose Purin Pyrimidin Uric acid NH3, CO2 Urê
3. - Sự thủy phân nucleic acid thành mononucleotide được xúc tác bởi các enzyme thủy phân tương ứng. - DNA nhờ desoxyribonuclease xúc tác biến đổi thành các desoxyribonucleotide cịn RNA do các ribonuclease xúc tác sẽ bị phân giải thành các ribonucleotide.
4. -Mononucleotide bị phân giải bởi tác dụng của các phosphatase hoặc nucleotidase tạo nên các nucleoside và H3PO4. Các nucleoside lại tiếp tục bị thủy phân bởi các nucleosidase để tạo base nitơ và pentose. -Các sản phẩm của quá trình phân giải trên tiếp tục biến đổi -H3PO4 tham gia vào các quá trình trao đổi saccharide hay các quá trình trao đổi chất khác. -Base Nitơ tiếp tục bị phân giải tạo các sản phẩm tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào.
5. 1.1. Phân giải các base purin - Purin ở dạng tự do hoặc liên kết sẽ bị phân giải qua 2 phản ứng chủ yếu là thủy phân và oxy hĩa - Ở người, linh trưởng, chim, một số bị sát, cơn trùng: sản phẩm phân giải cuối cùng của purin là acid uric - Đa số động vật cĩ vú, nhuyễn thể, một số lồi bị sát khác: sản phẩm thối hĩa cuối cùng của purin là alanthion - Các lồi khơng xương ở biển: sp cuối là NH4
6. Có một số sự sai khác trong những con đường đặc trưng mà các sinh vật hoặc các mô khác nhau sử dụng để phân hủy AMP. Ở cơ, AMP deaminase chuyển AMP thành IMP. IMP tiếp tục bị thủy phân thành inosine nhờ 5- nucleotidase. Tuy nhiên, ở hầu hết các mô, AMP bị thủy phân bởi 5’-nucleotidase tạo thành adenosine. Sau đó, adenosine bị khử amine tạo thành inosine do adenosine deaminase xúc tác. Purine nucleoside phosphorylase chuyển các inosine, guanosine và xanthosine tương ứng thành hypoxanthine, guanine, xanthine. Hypoxanthine bị oxide hóa thành xanthine do xanthine oxidase xúc tác là một enzyme chứa molybden, FAD và hai tâm Fe-S khác nhau. Guanine bị aminohydrolase khử amine thành xanthine. Các phân tử xanthine bị oxide hóa tiếp thành acid uric nhờ xanthine oxidase.
7. Nhiều động vật phân hủy acid uric sâu hơn. Ở cá xương, urate oxidase chuyển hóa acid uric thành allantoin để tạo thành allantoate. Các loài cá khác cũng như các loài lưỡng thê sinh ra allantoicase cắt acid allantoic thành glyoxylate và urea. Các động vật có xương sống ở biển phân hủy + urea thành NH4 và CO2 trong phản ứng do urase xúc tác.
8. Sản phẩm cuối của quá trình phân giải purin Sản phẩm Loài Uric acid Các lồi linh trưởng (primate), chim và gia cầm (birds), bị sát (reptiles), cơn trùng Allantoin Hầu hết các lồi động vật cĩ vú Allantoate Các lồi cá xương Urea Các lồi động vật lưỡng cư (amphibians), các lồi cá sụn (cartilaginous fishes) + NH4 Các lồi khơng xương sống ở biển (marine invertibrates)
9. - Goutte là một bệnh của khớp xương do sự gia tăng nồng độ uric acid trong máu và trong các mơ bào. Sự lắng đọng bất thường của sodium urate làm cho các khớp xương bị sưng, đau và viêm. Thận cũng bị ảnh hưởng do nồng độ uric acid cao trong máu sẽ dẫn đến lắng đọng uric acid trong các ống thận nhỏ
10. - Nguyên nhân: cĩ nhiều nguyên nhân chưa rõ - Chữa trị: biện pháp dinh dưỡng (tránh ăn thức ăn giàu nucleotide, acid nucleic) và dùng thuốc
11. 1.2. Quá trình dị hóa pyrimidine Trước khi bị phân hủy thì cytidine và deoxycytidine sẽ chuyển hóa tương ứng thành uridine và deoxyuridine nhờ phản ứng khử amin do cytidine deaminase xúc tác. Tương tự, deoxycytidylate (dCMP) bị khử amine thành deoxyuridylate (dUMP) phân tử dUMP sau đó biến thành deoxyuridine nhờ 5’-nucleotidase. Uridine và deoxyuridine sau đó chuyển hóa tiếp thành uracil nhờ nucleoside phosphorylase. Thymine được tạo thành từ thymidylate (dTMP) trong các phản ứng kế tiếp nhờ 5’-nucleotidase và nucleoside phosphorylase.
12. Uracil và thymine bị chuyển hóa tương ứng thành các sản phẩm cuối của chúng là -alanine và - aminoisobutyrate trong những con đường song song. Trong phản ứng đầu tiên, uracil và thymine bị dihydrouracil dehydrogenase khử thành các dẫn xuất dihydro tương ứng của chúng. Vì ba phân tử sau này bị thủy phân nên vòng mở tạo ra -ureidopropionate và -ureioisobutyrate. Cuối cùng, -ureidopropionase xúc tác các phản ứng khử amine sinh ra -alanine và -aminoisobutyrate. Do tan được nên -aminoisobutyrate không gây ra những vấn đề trầm trọng như ở bệnh gout.
13. Con đường phân giải pyrimidine thường dẫn đến + giải phĩng NH4 (hình 11.5 và 11.6) sau đĩ + NH4 sẽ được sử dụng để tổng hợp urea. Ví dụ: thymine bị phân giải thành methylmalonylsemialdehyde, một chất trung gian của quá trình phân giải valine. Chất này sẽ tiếp tục bị phân giải qua propionyl-CoA và methylmalonyl-CoA để hình thành succinyl- CoA.
14. 2. Sinh tổng hợp nucleotide Nucleotide là các phân tử chứa nitrogen phức tạp cần cho quá trình tăng trưởng và phát triển của tế bào. Không chỉ là khối xây dựng của các acid nucleic mà nucleotide còn đóng nhiều vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa năng lượng và điều hòa nhiều con đường biến dưỡng. Mỗi nucleotide được cấu tạo gồm ba phần là một base nitrogen, một đường pentose và một hoặc nhiều nhóm phosphate. Các bse nitrogen có nguồn gốc từ purine hoặc pyrimidine là các amine thơm dị vòng phẳng. Trong tự nhiên, purine thường xuất hiện ở dạng adenine, guanine, xanthine, hydroxanthine còn pyrimidine thì ở dạng thymine, cytosine và uracil.
15. • Khi các base purine hoặc pyrimidine liên kết thông qua nối -N-glycoside ở C1của đường pentose thì phân tử đó gọi là nucleoside. Hai kiểu đường tìm thấy ở nucleoside là ribose hoặc deoxyribose. Các nucleoside chứa ribose với adenine, guanine, cytosine và urasil thì gọi là adenosine, guanosine, cytidine và uridine. Khi thành phần đường là deoxyribose thì sử dụng tiếp đầu ngữ deoxy. Ví dụ: deoxy nucleoside của adenine gọi là deoxyadenosine. • Do base thymine thường chỉ ở dạng deoxynucleoside nên deoxythymine được gọi là thymidine.
16. Nguyên liệu để tổng hợp gồm có: - H3PO4 - Ribose (từ con đường HMP) - Base nitơ
17. 2.1. Sự tổng hợp purin nucleotide nucleotide được tổng hợp theo 2 con đường: - Tổng hợp mới (de novo pathway) - Sử dụng lại sản phẩm phân giải nucleic acid (salvage pathway)
18. Quá trình tổng hợp de novo các purine nucleotide bắt đầu với phản ứng tạo thành 5-phospho- -D- ribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) do ribose-5- phosphate pyrophosphokinase (PRPP synthase) xúc tác. Cơ chất của phản ứng này, -D-ribose-5- phosphate là một sản phẩm của quá trình pentose phosphate. Trong giai đoạn đầu tiên của con đường thì PRPP bị chuyển hóa thành inosine monophosphate (inosinate) là purine nucleotide đầu tiên. Quá trình này bắt đầu bằng sự thay thế nhóm pyrophosphate của PRPP bằng amide nitrogen của glutamine trong phản ứng do glutamine PRPP amidotransferase xúc tác. Sản phẩm tạo thành là 5-phospho- -D- ribosylamine.
19. • Khi 5-phospho--D-ribosylamine tạo thành thì việc xây dựng cấu trúc vòng purine bắt đầu. Phosphoribosylglycinamide synthase xúc tác sự tạo thành một nối amide giữa nhóm carboxyl của glycine với nhóm amino của 5-phospho--D-ribosylamine. Trong tám phản ứng liên tiếp nhau thì sẽ tạo thành purine cucleotide đầu tiên là IMP. Các tiền chất khác của thành phần base của IMP (hypoxanthine) gồm có CO2, aspartate, M10- formyl THF. Con đường này cần thủy phân bốn phân tử ATP.
20. • Sự chuyển hóa IMP thành adenosine monophosphate (AMP hay adenylate) hoặc guanosine monophosphate (GMP hay guanylate) cần hai phản ứng. AMP chỉ khác với IMP ở một chỗ là nhóm amino thay thế một nhóm keto. Nitrogen của amino do aspartate cung cấp sẽ liên kết với IMP trong một phản ứng cần GTP do adenylosuccinate synthase xúc tác. Trong phản ứng kế tiếp thì sản phẩm adenylosuccinate loại fumarate tạo thành AMP. Enzyme xúc tác phản ứng này cũng xúc tác phản ứng tương tự trong quá tổng hợp IMP. Sự chuyển hóa IMP thành GMP bắt đầu khi quá trình khử hydrogen sử dụng NAD+ do IMP dehydrogenase xúc tác và sản phẩm tạo thành là xanthosine monophosphate (XMP). Sau đó XMP chuyển hóa thành GMP nhờ quá trình glutamine cho một nitrogen của amino trong phản ứng cần ATP do GMP synthase xúc tác.
21. Nguồn gốc các nguyên tử trong nhân purin
22. Qua trinh tổng hợp purine nucleotide được khởi đầu bằng phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP)
23. Quá trình diễn tiến qua 10 bước như sau: Bước 1: glutamine sẽ nhường nhĩm amine cho PRPP và nhĩm amine này sẽ được gắn vào C-1 của PRPP. Hợp chất 5-phosphoribosylamine (PRA) mới được hình thành khơng bền, thời gian bán rã của nĩ là 30 giây ở pH 7,5. Vịng purine được hình thành dựa trên cấu trúc này
24. Bước 2: gắn thêm ba nguyên tử của glycine để hình thành glycinamide ribonucleotide (GAR), trong quá trình này cĩ sự tiêu tốn một ATP để hoạt hĩa nhĩm carboxyl của glycine
25. • Bước 3:Nhĩm amine mới được thêm vào từ glycine sẽ được formyl hĩa bởi N10-formyltetrahydrofolate để hình thành formylglycinamide ribonucleotide (FGAR)
26. • Bước 4: Tiếp theo một phân tử glutamine nhường nhĩm amine cho FGAR để tạo thành formylglycinamidine ribonucleotide (FGAM), trong quá trình này cĩ sự tiêu tốn một ATP
27. • Bước 5: FGAM đĩng vịng imidazole cĩ 5 cạnh để tạo thành hợp chất cĩ tên gọi là 5-aminoimidazole ribonucleotide (AIR), trong bước này cĩ sự tiêu tốn một ATP
28. Bước 6: chuyển 5-aminoimidazole ribonucleotide (AIR) thành carboxyaminoimidazole ribonucleotide (CAIR)
29. Bước 7 và 8: Aspartate sẽ cung cấp một nhĩm amine để hình thành một liên kết amide đồng thời cắt ra bộ khung carbon của aspartate dưới dạng một phân tử fumarate
30. • Bước 9: Nguyên tử carbon cuối cùng của vịng purine được cung cấp bởi N10-formyltetrahydrofolate
31. • Bước 10: sự đĩng vịng thứ hai diễn ra để hình thành nhân purine
32. • Chất trung gian đầu tiên cĩ vịng purine đầy đủ là inosine monophosphate (inosinate, IMP).
33. • Sự chuyển đổi inosinate thành adenylate cần cĩ một nhĩm amine từ aspartate. Trong phản ứng tạo thành adenylosuccinate từ inosinate, GTP là nguồn phosphate cao năng chứ khơng phải là ATP. Guanylate được tạo thành nhờ phản ứng oxy hĩa inosinate tại nguyên tử C-2 cĩ sự tham gia của coenzyme NAD+ và phản ứng gắn nhĩm amine từ glutamine
34. *. Điều hịa sinh tổng hợp purin nucleotide Sinh tổng hợp purine nucleotide được điều hịa bằng cơ chế ức chế ngược Các cơ chế ngược phối hợp với nhau để điều hịa tốc độ hình thành hai sản phẩm cuối cùng của tổng hợp purine nucleotide là adenylate và guanylate. Cơ chế điều hịa ngược thứ 1: xảy ra đối với phản ứng thứ nhất của quá trình tổng hợp purine nucleotide từ PRPP - phản ứng chuyển một nhĩm amine vào PRPP để tạo thành 5- phospho-ribosylamine. Phản ứng này được xúc tác bởi allosteric enzyme glutamine-PRPP amidotransferase, enzyme này bị ức chế bởi IMP, AMP và GMP.
35. 4 1 3 2
36. • Cơ chế điều hịa ngược thứ 2: dư thừa GMP trong tế bào sẽ dẫn đến ức chế sự hình thành xanthylate từ inosinate nhưng khơng ảnh hưởng đến sự hình thành AMP. Ngược lại, sự tích tụ adenylate sẽ ức chế sự hình thành adenylosuccinate nhưng khơng ảnh hướng đến sự hình thành GMP. • Cơ chế điều hịa ngược thứ 3: GTP cần thiết để chuyển IMP thành AMP trong khi đĩ ATP lại cần thiết để chuyển IMP thành GMP. Sự sắp xếp một cách tương hỗ này làm cân đối quá trình tổng hợp hai loại purine nucleotide.
37. • Cơ chế điều hịa thứ 4: sự ức chế tổng hợp PRPP thơng qua cơ chế điều hịa allosteric của ribose phosphate pyrophosphokinase. Enzyme này bị ức chế bởi ADP và GDP.
38. 2.2. Tổng hợp Pyrimidine nucleotide Trong quá trình tổng hợp các pyrimidine nucleotide, vòng pyrimidine sẽ được tổng hợp trước rồi mới liên kết với ribose phosphate. Các nguyên tử carbon và nitrogen trong vòng này có nguồn gốc từ bicarbonate, aspartate và glutamine. Quá trình tổng hợp diễn ra theo 2 giai đoạn Giai đoạn 1: bắt đầu với sự tạo thành carbamoyl phosphate trong một phản ứng cần ATP do phosphate synthase II trong tế bào chất xúc tác. Một phân tử ATP cung cấp nhóm phosphate trong khi đó một phân tử ATP khác sẽ điều khiển phản ứng. Carbamoyl phosphate phản ứng tiếp với aspartate tạo thành carbamoyl aspartate. Sau đó dihydroorotase xúc tác phản ứng đóng vòng pyrimidine. Sản phẩm dihydroorotate sau đó bị oxide hóa tạo thành orotate. Enzyme xúc tác phản ứng này là dihydroorotate dehydrogenase là một flavoprotein liên kết với màng trong ty thể.
39. • Giai đoạn 2: Sau khi ra khỏi ty thể, orotate chuyển hóa thành orotidine-5’-phosphate (OMP) bằng cách phản ứng với PRPP. Phản ứng này do enzyme orotate pyrophosphoribosyl transferase xúc tác. OMP chính là nucleotide đầu tiên của con đường này. Uridine-5’-phosphate (UMP) tạo thành khi OMP bị khử carboxyl trong phản ứng do OMP carboxylase xúc tác. Hoạt tính của cả hai enzyme orotate pyrophosphoribosyl transferase và OMP decarboxylase đều xảy ra trên một protein gọi là UMP synthase. UMP là tiền chất cho các pyrimidine nucleotide khác.
40. N H -N: carbamoyl aspartate - H: dihydroorotate
41. *. Điều hịa sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide Sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide được điều hịa bằng cơ chế ức chế ngược Điều hịa tốc độ sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide ở vi khuẩn diễn ra chủ yếu thơng qua aspartate transcarbamoylase (ATCase) là enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên và bị ức chế bởi CTP - sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng sinh tổng hợp
42. 2.3. Sự chuyển đổi nucleoside monophosphate thành nucleoside triphosphate Nucleotide được sử dụng trong sinh tổng hợp thường được chuyển thành nucleoside triphosphate. Các đường hướng chuyển đổi là chung cho tất cả các tế bào. 1. Sự phosphoryl hĩa AMP thành ADP diễn ra do sự xúc tác của adenylate kinase (ATP + AMP ↔ 2 ADP). ADP được chuyển thành ATP nhờ sự xúc tác của các enzyme trong đường phân hoặc trong quá trình phosphoryl hĩa bằng cách oxy hĩa. ATP sẽ tham gia vào phản ứng chuyển các nucleoside monophosphate (NMP) thành nucleoside diphosphate (NDP) với sự xúc tác của nucleoside monophosphate kinase. 2. Nucleoside diphosphate được chuyển thành nucleoside triphosphate nhờ sự xúc tác của nucleoside diphosphate kinase (NTPD + NDPA ↔ NDPD + NTPA).
43. 2.4. Tổng hợp deoxyribonucleotide Deoxyribonucleotide là đơn vị xây dựng của DNA sẽ được tạo thành từ các ribonucleotide tương ứng bằng cách khử trực tiếp ở nguyên tử carbon 2' của đường D-ribose để tạo thành dẫn xuất 2'-deoxy. Ví dụ, adenosine diphosphate (ADP) bị khử thành 2'- deoxyadenosine diphosphate (dADP) và GDP bị khử thành dGDP. Enzyme xúc tác là ribonucleotide reductase.
44. Phản ứng khử đường D-ribose của một phân tử ribonucleoside diphosphate thành 2'-deoxy-D-ribose cần cĩ một cặp nguyên tử hydro (2H). Cặp hydro này được cung cấp từ NADPH thơng qua một phân tử protein vận chuyển hydro trung gian cĩ tên gọi là thioredoxin. Thioredoxin cĩ các nhĩm -SH do đĩ cĩ khả năng vận chuyển các cặp hydro từ NADPH sang ribonucleoside diphosphate. Dạng oxy hĩa (-S-S-) của thioredoxin sẽ bị khử bởi NADPH trong một phản ứng được xúc tác bởi thioredoxin reductase
45. • Thioredoxin dạng khử được sử dụng bởi ribonucleotide reductase để khử nucleoside diphosphate (NDP) thành deoxyribonucleoside diphosphate (dNDP). Một nguồn đương lượng khử thứ hai của ribonucleotide reductase là glutathione (GSH; GSSG: dạng oxy hĩa của glutathione). Glutathione đĩng vai trị là chất khử của một protein cĩ tên gọi là glutaredoxin. Sau đĩ glutaredoxin dạng khử sẽ nhường hydro cho ribonucleotide reductase. • Enzyme ribonucleotide reductase được điều hịa bởi nồng độ ribonucleotide reductase
46. 2.5. Tổng hợp Thymidylate DNA chứa thymine chứ khơng phải uracil và sự tổng hợp thymine chỉ liên quan đến deoxyribonucleotide. Tiền chất trung gian của thymidylate (dTMP) là dUMP . Ở vi khuẩn, sự tổng hợp dUMP từ dUTP. dUTP được hình thành do phản ứng khử amine của dCTP hoặc do sự phosphoryl hĩa dUDP. dUTP được chuyển thành dUMP do sự xúc tác của dUTPase Sự chuyển đổi dUMP thành dTMP được xúc tác bởi thymidylate synthase.
47. 2.6. Tổng hợp các base purin và pyrimidin theo hướng tái sử dụng Các base purine và pyrimidine luơn luơn được tạo ra trong tế bào từ quá trình phân giải các nucleotide. Các purine tự do được tái sử dụng để tổng hợp nucleotide. Theo con đường này, adenine phản ứng với PRPP với sự xúc tác của adenosine phosphorybosyltransferase để tạo thành adenine nucleotide. Adenine + PRPP → AMP + PPi Guanine và hypoxanthine (sản phẩm của phản ứng khử amine của adenine) tự do được tái sử dụng tương tự như trên nhờ sự xúc tác của hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase. Đối với các base pyrimidine diễn ra tương tự.
48. 3. Sinh tổng hợp ADN
49. 3.1. Cơ chế bán bảo tồn
50. 3.2. Cấu trúc chạc 3
51. 3.3. Quá trình nhân đơi của ADN
52. 3.4. Tổng hợp ARN
53. 3.5. Phản ứng PCR