The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.

Home Explore Cơ sở di truyền phân tử và tế bào

View in Fullscreen

Cơ sở di truyền phân tử và tế bào

Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!

Download PDF

Related Publications

Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.

Published by Doubletet Jame, 2021-10-05 03:11:21

Cơ sở di truyền phân tử và tế bào

Pages:

Cơ sở di truyền phân tử và tế bào

Keywords: HSGQG

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 çc 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 çch “t− duy” trong çc 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 çc 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 çc th«ng tin di
truyÒn ®−îc l−u gi÷ trong çc 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 çch ®æi míi “t− duy” nh− vËy, gi¸o tr×nh nµy ®−îc biªn so¹n nh»m cung cÊp cho
sinh viªn çc ngµnh sinh häc, c«ng nghÖ sinh häc vµ s− ph¹m sinh häc çc nguyªn lý c¬
b¶n cña di truyÒn häc ë cÊp ®é ph©n tö vµ tÕ bµo phôc vô cho çc c«ng viÖc häc tËp vµ
nghiªn cøu. Gi¸o tr×nh ®−îc chia lµm 11 ch−¬ng víi çc néi dung sau:

Ch−¬ng I. Liªn kÕt hãa häc cña çc ®¹i ph©n tö sinh häc
Ch−¬ng II. CÊu tróc, ®Æc tÝnh, chøc n¨ng cña çc ®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 çc 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 çc tr−êng
§¹i häc Y, §¹i häc D−îc, §¹i häc N«ng nghiÖp, §¹i häc L©m nghiÖp ... còng nh− víi çc
gi¸o viªn gi¶ng d¹y sinh häc ë çc tr−êng THPT, çc nhµ khoa häc ë çc 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. Çc t¸c gi¶ tr©n träng ®ãn nhËn vµ c¶m ¬n çc ý kiÕn nhËn xÐt, gãp ý cña çc
®ång nghiÖp lµm c«ng t¸c gi¶ng d¹y sinh häc, çc nhµ khoa häc, çc 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.

Çc t¸c gi¶

i

Danh môc çc 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 çc 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 Çc 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 Çc tr×nh tù dµi n»m r¶i r¸c trong nh©n Long interspersed nuclear element
LTR Çc 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 çc ®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 Çc 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 çc ®¹i ph©n tö sinh häc

1.1. §Æc ®iÓm liªn kÕt hãa häc cña çc ®¹i ph©n tö sinh häc

Liªn kÕt hãa häc lµ lùc hÊp dÉn gi÷ çc nguyªn tö víi nhau. Sù kÕt tô cña çc 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 çc liªn kÕt céng hãa trÞ (lµ nh÷ng liªn kÕt rÊt m¹nh) míi cã vai trß gi÷
çc nguyªn tö víi nhau. Giê ®©y, chóng ta ®· biÕt çc liªn kÕt yÕu còng cã vai trß quan
träng trong cÊu tróc cña çc 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 çc liªn kÕt yÕu còng cã thÓ gi÷ çc nguyªn tö víi nhau.
Çc liªn kÕt hãa häc ®−îc ph©n lo¹i dùa trªn mét sè ®Æc tÝnh, trong ®ã cã lùc liªn kÕt. Çc
liªn kÕt m¹nh hÇu nh− kh«ng bao giê tù ®øt g·y trong ®iÒu kiÖn sinh lý c¬ thÓ, v× vËy çc
nguyªn tö ®−îc tËp hîp bëi çc liªn kÕt céng hãa trÞ lu«n thuéc vÒ cïng mét ph©n tö. Çc
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× çc 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 çch 0,74Å, trong khi kho¶ng çch 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 çc 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. Çc 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 çc
liªn kÕt yÕu th−êng kh«ng æn ®Þnh. Ngoµi ra, çc liªn kÕt cßn kh¸c nhau vÒ møc quay tù
do. Çc liªn kÕt céng hãa trÞ ®¬n cho phÐp çc nguyªn tö quay tù do xung quanh nguyªn tö
liªn kÕt, trong khi çc liªn kÕt céng hãa trÞ kÐp (liªn kÕt ®«i hoÆc liªn kÕt ba) th× cøng
nh¾c. V× lý do nµy, nªn çc 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”. Çc 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 çc 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 çc 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 çc 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 çc
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 çc ph¶n øng hãa häc th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ kcal/mol.

Tuy vËy, çc 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 çc liªn kÕt nµy. Mét trong nh÷ng lùc
nh− vËy lµ nhiÖt n¨ng. Sù va ®Ëp gi÷a çc nguyªn tö hoÆc ph©n tö khi chuyÓn ®éng nhanh
cã thÓ ph¸ vì çc liªn kÕt hãa häc. Trong qu¸ tr×nh va ®Ëp, mét phÇn ®éng n¨ng cña çc
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 çc liªn kÕt
cµng lín. V× vËy, khi nhiÖt ®é cña hçn hîp çc ph©n tö t¨ng lªn, th× sù bÒn v÷ng cña çc 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 çc ho¹t ®éng
kÕt hîp gi÷a çc 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 çc 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

çc 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 çc nguyªn tö
ë tr¹ng th¸i liªn kÕt dÇn chuyÓn sang tr¹ng th¸i c©n b»ng. Trong sinh häc, çch 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 çc 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 çc ®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 çc 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 çc 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 çch ®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 çc 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 çc thµnh phÇn ph¶n øng ®Òu cã mÆt ë l−îng mole (b¶ng 1.1).

1.1.3.2. Çc liªn kÕt céng hãa trÞ lµ çc liªn kÕt rÊt m¹nh

Çc gi¸ trÞ ∆G cña çc ph¶n øng h×nh thµnh çc liªn kÕt céng hãa trÞ tõ çc 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 çc ph¶n øng nµy dao ®éng trong kho¶ng tõ -50 ®Õn -110 kcal/mol.

Çc 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 çc 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 çc liªn kÕt yÕu trong çc hÖ thèng

sinh häc

Çc ®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 çc axit nucleic vµ protein. Chóng ®Òu ®−îc t¹o nªn tõ çc liªn kÕt céng
hãa trÞ gi÷a çc ®¬n ph©n t−¬ng øng cña chóng lµ çc nucleotide vµ çc axit amin. Çc liªn
kÕt céng hãa trÞ lµ çc 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 çc 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 çc ®iÒu kiÖn sinh lý b×nh th−êng. Çc liªn
kÕt yÕu chiÕm vai trß chñ ®¹o trong ®iÒu hßa t−¬ng t¸c gi÷a çc enzym víi c¬ chÊt, gi÷a çc
®¹i ph©n tö sinh häc víi nhau, trong ®ã phæ biÕn nhÊt lµ gi÷a çc protein vµ gi÷a protein
víi ADN. Çc liªn kÕt yÕu ®iÒu hßa sù t−¬ng t¸c gi÷a çc ®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 çc
chuçi polypeptide gåm çc 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.

Çc lo¹i liªn kÕt yÕu cã vai trß quan träng nhÊt trong çc hÖ thèng sinh häc bao
gåm çc 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. Çc liªn kÕt yÕu cã n¨ng l−îng trong kho¶ng 1 – 7 kcal/mol

Liªn kÕt yÕu nhÊt lµ çc liªn kÕt Van der Waals. Çc 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 çc liªn kÕt hydro vµ ion vµo kho¶ng 3 - 7 kcal/mol.

Trong çc dÞch láng, hÇu hÕt çc ph©n tö h×nh thµnh çc liªn kÕt yÕu víi çc nguyªn tö
ë xung quanh. TÊt c¶ çc ph©n tö cã thÓ h×nh thµnh liªn kÕt Van der Waals, nh−ng çc liªn
kÕt hydro vµ ion chØ cã thÓ h×nh thµnh gi÷a çc 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, çc ph©n tö
lu«n cã xu h−íng “−u tiªn” cho sù h×nh thµnh çc 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 çc 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 çc 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 çc ®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 çc ®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. Çc ®iÖn tö bÞ "hót" bëi çc 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 çc ®iÖn tÝch d−¬ng vµ ©m nh− vËy h×nh
thµnh nªn momen l−ìng cùc. Sù chia sÎ çc ®iÖn tö kh«ng ®ång ®Òu nh− vËy ph¶n ¸nh ¸i
lùc kh¸c nhau ®èi víi çc ®iÖn tö cña çc nguyªn tö kh¸c nhau. Çc nguyªn tö cã xu h−íng
hót ®iÖn tö m¹nh ®−îc gäi lµ çc nguyªn tö ©m ®iÖn. Ng−îc l¹i, çc nguyªn tö cã xu h−íng
cho ®iÖn tö ®−îc gäi lµ çc nguyªn tö d−¬ng ®iÖn.

Çc ph©n tö cã momen l−ìng cùc (nh− H2O) ®−îc gäi lµ çc ph©n tö ph©n cùc. Çc
ph©n tö kh«ng ph©n cùc lµ çc ph©n tö kh«ng cã momen l−ìng cùc râ rÖt. VÝ dô nh− ®èi
víi ph©n tö methane (CH4), çc 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 çc ®iÖn tö gi÷a çc nguyªn tö cßn bÞ ¶nh
h−ëng bëi çc nguyªn tö kh¸c ë xung quanh. §iÒu nµy ®Æc biÖt râ ®èi víi çc 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 çc ®iÖn tÝch gi÷a çc nguyªn tö. Trong tr−êng hîp nµy, tÊt nhiªn, sù ph©n t¸ch cña çc
®iÖn tö kh«ng râ rÖt nh− trong tr−êng hîp cña çc 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 çc ®¹i ph©n tö sinh häc

1.2.4. Liªn kÕt Van der Waals

Çc 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 çc ®iÖn tö bÞ ¶nh h−ëng
khi çc 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 çch gi÷a çc nhãm
t−¬ng t¸c, trong ®ã n¨ng l−îng liªn kÕt
tØ lÖ nghÞch theo lòy thõa 6 cña kho¶ng

çch gi÷a chóng (h×nh 1.1).

Tuy vËy, khi çc 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 çc H×nh 1.1. Lùc Van der Waals thay ®æi theo kho¶ng
nguyªn tö. Lùc ®Èy vµ lùc hÊp dÉn Van çch nguyªn tö. Çc nguyªn tö ë ®©y lµ khÝ tr¬ Argon
der Waals sÏ duy tr× hai nguyªn tö ®Æc
thï çch nhau mét kho¶ng çch æn (theo Pauling I., 1953, General Chemistry, p.322)

®Þnh. Kho¶ng çch 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 çc 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
çc 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 çc ph©n tö lµ yªu cÇu tiªn quyÕt, ®Ó ®¶m b¶o kho¶ng çch 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 çch gi÷a çc 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. Çc liªn kÕt Van der

Waals th−êng kh«ng chiÕm −u thÕ trong sù liªn kÕt gi÷a çc ph©n tö ph©n cùc. Bëi v× çc

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 çc d¹ng liªn kÕt kh¸c.

1.2.5. Çc 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 çc nguyªn tö oxy tÝch ®iÖn ©m O – H …… O-

trong nhãm keto (-C=O). Çc 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 çch N – H …… O 3,04 ± 0,13
kh¸c, çc 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 çc 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, çc liªn kÕt

hydro lµ yÕu h¬n so víi çc liªn kÕt céng hãa trÞ

nh−ng m¹nh h¬n çc liªn kÕt Van der Waals. V× vËy, kho¶ng çch gi÷a hai nguyªn tö nµo

®ã ®−îc gi÷ l¹i víi nhau bëi liªn kÕt hydro lµ ng¾n h¬n so víi kho¶ng çch 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 çc 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 çc 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 çc nhãm ion mang mét hay nhiÒu ®iÖn tÝch ©m hoÆc
d−¬ng. VÝ dô nh− çc 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 çc
nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu ë gÇn. Lùc tÜnh ®iÖn sÏ xuÊt hiÖn gi÷a çc nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu
vµ ®−îc gäi lµ çc liªn kÕt ion. N¨ng l−îng liªn kÕt ion trung b×nh lµ kho¶ng 5 kcal/mol.

Trong nhiÒu tr−êng hîp, çc 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 çc cation vµ anion th−êng kh«ng cè ®Þnh bëi çc ion v« c¬
lu«n bÞ bao v©y bëi “líp ¸o” gåm çc ph©n tö n−íc dÉn ®Õn viÖc chóng kh«ng liªn kÕt ®−îc víi
çc nhãm tÝch ®iÖn tr¸i dÊu. Do ®ã, trong dung dÞch n−íc, liªn kÕt ion víi çc cation hoÆc
anion v« c¬ th−êng kh«ng quyÕt ®Þnh cÊu h×nh kh«ng gian cña çc 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 çc nhãm ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. Ch¼ng h¹n nh− çc 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 çc ®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. Çc liªn kÕt yÕu cÇn çc bÒ mÆt ph©n tö t−¬ng ®ång

Çc liªn kÕt yÕu chØ trë nªn hiÖu qu¶ khi bÒ mÆt cña çc ph©n tö tiÕp xóc gÇn nhau,
vµ lùc liªn kÕt trë thµnh “m¹nh” khi bÒ mÆt çc 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 çc 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 çc 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 çc liªn kÕt yÕu gi÷a chóng víi nhau, nh− çc ph©n tö n−íc
ch¼ng h¹n.

1.2.8. Çc ph©n tö n−íc tù h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau

Trong ®iÒu kiÖn sinh lý tÕ bµo, çc ph©n tö n−íc hiÕm khi bÞ ion hãa thµnh çc ion H+
vµ OH-. Thay vµo ®ã, chóng th−êng tån t¹i d−íi

d¹ng çc ph©n tö ph©n cùc H-O-H, víi çc

nguyªn tö O vµ H “s½n sµng” cho viÖc h×nh

thµnh nªn çc 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 çc gãc cña khèi tø diÖn ®Òu

(h×nh 1.2). ë nhiÖt ®é ®«ng l¹nh, çc liªn kÕt c

hydro nµy rÊt ch¾c, lµm cho çc 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 çc ph©n tö ®ñ lín ®Ó cã thÓ quanh vµ h×nh thµnh cÊu tróc tø diÖn ®Òu.
ph¸ vì çc liªn kÕt hydro vµ lµm cho çc ph©n tö Trªn h×nh, çc nguyªn tö O lµ h×nh cÇu mµu
n−íc hÇu nh− liªn tôc “thay ®æi” çc ph©n tö sÉm, çc nguyªn tö H lµ h×nh cÇu mµu s¸ng;
a,b,c,d lµ çc 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. Çc liªn kÕt yÕu gi÷a çc ph©n tö trong çc 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 çc ph©n tö ë tr¹ng th¸i liªn kÕt thø cÊp víi çc ph©n tö kh¸c. N¨ng l−îng
liªn kÕt chØ vµo kho¶ng 2 - 3 kcal/mol lµ ®ñ ®Ó çc ph©n tö h×nh thµnh nªn mét sè tèi ®a çc
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 çc chÊt tan, kh«ng chØ v× çc ph©n tö nµy cã h×nh d¹ng ®Æc thï mµ cßn v×
chóng cã thÓ cã çc 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 çc liªn kÕt thø cÊp m¹nh nhÊt cã thÓ.

Do çc tÕ bµo sèng th−êng tån t¹i ë d¹ng dÞch láng vµ çc 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 çc

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 çc chuyÓn ®éng nhiÖt, mµ cßn do sù chuyÓn hãa çc ph©n tö chÊt tan.

1.2.10. Çc 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 çc 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, çc ph©n tö n−íc vµ benzen sÏ nhanh chãng t¸ch nhau ra. Çc ph©n tö n−íc sÏ “−u
tiªn” h×nh thµnh liªn kÕt hydro víi nhau, cßn çc 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, çc ph©n tö ph©n cùc nh− glucose vµ pyruvate chøa çc nhãm chøc cã thÓ
h×nh thµnh liªn kÕt hydro (nh− =O hoÆc –OH) th× chóng cã thÓ hßa tan trong n−íc. Khi çc
nhãm chøc nµy xen vµo çc ph©n tö n−íc, chóng cã thÓ ph¸ vì çc liªn kÕt hydro gi÷a çc
ph©n tö n−íc vµ h×nh thµnh liªn kÕt hydro míi gi÷a chóng víi çc ph©n tö n−íc ë xung
quanh. Tuy vËy, kh«ng ph¶i lóc nµo çc liªn kÕt hydro nµy còng phï hîp víi xu thÕ vÒ hiÖu
n¨ng so víi liªn kÕt hydro gi÷a çc ph©n tö n−íc víi nhau. V× vËy, ngay c¶ víi çc 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 çch 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 çc ph©n tö kh¸c ®Õn khi chóng t×m thÊy çc ph©n tö cã
bÒ mÆt t−¬ng ®ång cao vµ g¾n vµo qua sù h×nh thµnh çc liªn kÕt thø cÊp (®ång thêi gi¶i
phãng ra çc ph©n tö n−íc vèn cã xu h−íng −u tiªn cho liªn kÕt hydro “n−íc - n−íc”).

1.2.11. Çc liªn kÕt kÞ n−íc gióp duy tr× æn ®Þnh cÊu tróc çc ®¹i ph©n tö sinh häc

Trong dung dÞch, mét xu h−íng n÷a lµ çc ph©n tö n−íc lu«n ®Èy çc nhãm kh«ng

ph©n cùc ra xa, vµ ®©y ®−îc gäi lµ çc 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 “çc nhãm kh«ng
ph©n cùc lu«n tù s¾p xÕp sao cho chóng kh«ng tiÕp xóc víi çc ph©n tö n−íc”. Çc liªn kÕt kÞ
n−íc cã ý nghÜa quan träng trong viÖc gióp duy tr× tÝnh ®Þnh h×nh cña çc ph©n tö protein
vµ çc phøc hÖ protein víi çc ph©n tö kh¸c, kÓ c¶ viÖc ph©n bè çc 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 çc 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 çc 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 çc ph©n tö n−íc). Xu h−íng çc 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 çc ®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 çc 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× çc liªn kÕt thø cÊp ®«i
khi bÞ ®øt g·y, dÉn ®Õn sù khuÕch t¸n chËm cña çc 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

Çc 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, çc liªn kÕt yÕu lµ ®éng lùc c¬ b¶n. Bëi çc 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 çc 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 çc 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 çch liªn tôc do t¸c ®éng cña çc chuyÓn ®éng nhiÖt ngÉu nhiªn. §iÒu nµy còng gióp
gi¶i thÝch t¹i sao hÇu hÕt çc enzym cã thêi gian biÓu hiÖn chøc n¨ng rÊt ng¾n (®«i khi ®¹t
tèc ®é 106 lÇn / gi©y). NÕu nh− çc 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 çc t−¬ng t¸c gi÷a çc ®¹i ph©n tö tham gia çc qu¸ tr×nh di
truyÒn (ADN, ARN, protein) ®−îc ®iÒu hßa bëi çc liªn kÕt yÕu

Chóng ta sÏ thÊy trong çc phÇn sau cña gi¸o tr×nh nµy, sù t−¬ng t¸c gi÷a çc ®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 çc tÝn hiÖu sinh häc ngo¹i bµo còng nh−
néi bµo. §iÒu ®ã biÓu hiÖn trong tÊt c¶ çc qu¸ tr×nh ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña gen, sao chÐp
vµ söa ch÷a ADN, c¬ chÕ t¸i tæ hîp gi÷a çc 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 çc 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 çc ®¹i ph©n tö.

1.3. TÇm quan träng vµ ®Æc ®iÓm cña çc liªn kÕt cao n¨ng

ë trªn, chóng ta ®· ®Ò cËp ®Õn sù h×nh thµnh çc liªn kÕt yÕu trªn quan ®iÓm nhiÖt
®éng häc. Theo ®ã, chóng ta biÕt r»ng çc liªn kÕt yÕu cã xu h−íng xuÊt hiÖn khi ∆G < 0.
Xu h−íng nµy còng ®óng ®èi víi çc 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 çc ph¶n øng kÕt nèi çc ph©n tö nhá ®Ó h×nh thµnh çc
®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 çc
nguyªn lý nhiÖt ®éng häc vµ ®iÒu nµy tõng ®−îc xem nh− mét “bÝ Èn cña sù sèng”.

Giê ®©y, chóng ta ®· biÕt çc qu¸ tr×nh sinh tæng hîp kh«ng hÒ “®i ng−îc” çc
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− çc axit nucleic kh«ng ph¶i ®−îc h×nh thµnh tõ sù
kÕt tô cña çc 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 çc axit amin.
Thay vµo ®ã, çc ph©n tö tiÒn chÊt th−êng dïng n¨ng l−îng tõ ATP (adenosine
triphosphate) hoÆc çc hîp chÊt t−¬ng ®−¬ng ®Ó chuyÓn hãa chóng thµnh çc 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 çc ®¹i ph©n tö. ë ®©y chóng ta sÏ xem
sù h×nh thµnh çc liªn kÕt peptide (ë protein) vµ phosphodieste (ë çc 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. Çc ph©n tö cao n¨ng th−êng kÐm bÒn

Cã sù kh¸c biÖt vÒ møc n¨ng l−îng tù do trong çc ph©n tö v× çc 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 çc nguyªn tö nµy víi nhau. KÕt qu¶ lµ sù h×nh thµnh liªn
kÕt O-H tõ çc 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 çc nguyªn tö
kh¸c lo¹i cña nã tù liªn kÕt víi nhau bëi çc liªn kÕt céng hãa trÞ yÕu. D−êng nh− ®iÒu nµy lµ
nghÞch lý, nh−ng thùc tiÔn cho thÊy lµ çc ph©n tö ®−îc h×nh thµnh dùa trªn çc 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 çc ph©n tö mang çc 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 çc chÊt h÷u c¬ phøc t¹p h¬n, kÓ c¶ khi cã mÆt çc enzym. ë thùc vËt, së dÜ CO2 cã
thÓ ®−îc dïng lµm nguån cacbon v× n¨ng l−îng ®−îc cung cÊp tõ çc 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, çc ph¶n øng hãa häc mµ ë ®ã çc ph©n tö ®−îc chuyÓn hãa
thµnh çc ph©n tö kh¸c cã n¨ng l−îng liªn kÕt thÊp h¬n còng kh«ng x¶y ra mét çch ®¸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 çc 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 çc
nguyªn tö liªn kÕt ra khái nhau. Nh−ng khi çc nguyªn tö nµy bÞ ®Èy mét phÇn khái nhau,
chóng ngay lËp tøc cã thÓ liªn kÕt víi çc 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 çc ®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 çc ph©n tö th−êng kh«ng
t¹o nªn çc 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 çc (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 çc 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 çc 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 çc 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¶ çc 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 çc 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 çc ph¶n øng
mét çch ®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 çc lùc ngÉu nhiªn (nh− chiÕu x¹
UV hay ion hãa) cã thÓ lµm ph¸ vì çc liªn kÕt hãa häc.

1.3.2. Enzym cã vai trß lµm gi¶m n¨ng l−îng ho¹t hãa cña çc ph¶n øng

Çc enzym ®Æc biÖt thiÕt yÕu ®èi víi sù sèng. Chøc n¨ng cña chóng lµ lµm t¨ng tèc ®é
çc 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 çc chuyÓn ®éng nhiÖt lµ ®ñ cho sù s¾p xÕp l¹i cña çc ph©n tö (h×nh 1.4).
Khi cã mÆt mét enzym ®Æc thï, “rµo c¶n” ng¨n sù x¶y ra cña çc ph¶n øng kh«ng cßn tån
t¹i, ngay c¶ khi çc ph©n tö cã n¨ng l−îng tù do thÊp nhÊt. Çc 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 çc enzym ®Æc thï. Nªn,
viÖc biÕt møc n¨ng l−îng tù do cña çc 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 çc 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 çc ®¹i ph©n tö sinh häc
Nguyªn lý nhiÖt ®éng häc ph¸t biÓu r»ng ®iÓm ®Æc tr−ng cña tÊt c¶ çc 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 çc ph¶n øng dÞ hãa. ë ®ã, çc ph©n tö dinh d−ìng kÐm bÒn vÒ nhiÖt ®éng
häc lu«n ®−îc chuyÓn hãa thµnh çc hîp chÊt bÒn v÷ng h¬n (nh− CO2vµ H2O) cïng víi mét
l−îng nhiÖt tho¸t ra. Çc ph¶n øng ph©n gi¶i sinh häc cã hai ®Æc ®iÓm c¬ b¶n lµ: (1) h×nh
thµnh nªn çc 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 çc 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 çc 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 çc ph©n tö dinh
d−ìng trªn c¬ së nguyªn lý nhiÖt ®éng häc. Thay vµo ®ã, tÊt c¶ çc qu¸ tr×nh ph©n gi¶i sinh
häc ®Òu chuyÓn mét phÇn lín n¨ng l−îng tù do cã trong çc 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 çc 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 çc ph©n tö n−íc, qua qu¸ tr×nh gäi lµ thñy ph©n. Çc liªn kÕt bÞ ph¸
vì trong qu¸ tr×nh thñy ph©n çc 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 çc 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 çc ®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 çc 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 çc 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 çc 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 çc 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. Çc liªn kÕt cao n¨ng liªn

13

§inh §oµn Long

quan ®Õn çc nguyªn tö l−u huúnh còng cã vai trß quan träng ®èi víi çc ho¹t ®éng sinh
häc t−¬ng tù nh− çc 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 çc qu¸ tr×nh sinh
tæng hîp çc 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 çc 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. Çc liªn kÕt cao n¨ng trong çc ph¶n øng sinh tæng hîp

Sù h×nh thµnh çc ®¹i ph©n tö tõ çc 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 çc qu¸ tr×nh sinh tæng hîp, nguån
n¨ng l−îng nµy ®−îc cung cÊp tõ çc hîp chÊt cao n¨ng. Sù h×nh thµnh çc liªn kÕt míi
trong çc ph¶n øng sinh tæng hîp lu«n ®i kÌm víi sù ®øt g·y cña çc liªn kÕt cao n¨ng, do
®ã n¨ng l−îng tù do tæng sè gi¶m ®i. V× çc ho¹t ®éng sèng diÔn ra liªn tôc, nªn thêi gian
tån t¹i trong tÕ bµo cña çc çc 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 çc ph¶n øng kh¸c x¶y ra. Tuy vËy,
kh«ng ph¶i tÊt c¶ çc b−íc cña mét qu¸ tr×nh sinh tæng hîp ®Òu cÇn sù ®øt g·y cña çc 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 çc b−íc ph¶n øng tiÕp theo, sù ®øt g·y çc 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¶ çc b−íc cña qu¸ tr×nh ph©n gi¶i ®Òu t¹o ra çc
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 çc 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 çc 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 çc chuçi polypeptide
kh«ng thÓ h×nh thµnh tù ph¸t tõ çc 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 çc ph©n tö kh¸c (th−êng Ýt
nhÊt lµ nhiÒu h¬n 100 lÇn). Do vËy, tÊt c¶ çc 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 çc 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 çc 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 çc hîp chÊt cã vai trß quyÕt ®Þnh chiÒu ph¶n øng x¶y ra.

14

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña çc ®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, çc ph©n tö protein cã thÓ bÞ thñy ph©n mét çch tù ph¸t thµnh çc
axit amin tù do. Nh−ng trong tÕ bµo, nÕu kh«ng cã çc 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, çc 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 çc 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 çc 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¶ çc ph¶n øng lµm ®øt g·y ®¹i ph©n tö thµnh çc ®¬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 çc ph¶n øng sinh tæng hîp (cã gi¸ trÞ ∆G
d−¬ng) lµ chóng lu«n ®i kÌm víi sù ®øt g·y cña çc 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 çc liªn kÕt peptide (h×nh thµnh ph©n tö protein).

1.3.5. Sù ho¹t hãa çc tiÒn chÊt cña çc ®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 çc 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 çc ph¶n øng chuyÓn nhãm
chøc. §©y lµ nhãm çc ph¶n øng mµ çc ph©n tö tham gia ph¶n øng trao ®æi çc nhãm
chøc víi nhau (kh«ng cã sù oxy hãa hay sù khö). Çc enzym xóc t¸c cho çc ph¶n øng nµy
®−îc gäi lµ çc 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. Çc 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 çc enzym xóc t¸c ®−îc gäi lµ hydrolase.

Trong çc hÖ thèng sinh häc, çc ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc gi÷ mét vai trß quan
träng trong viÖc h×nh thµnh çc 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. Çc 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 çc ph©n tö kh¸c. GTP lµ mét vÝ dô vÒ tr−êng hîp cña çc 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 çc 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
çc 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 çc ph©n tö cã n¨ng l−îng thÊp h¬n ®Ó
ho¹t hãa çc ph©n tö nµy thµnh d¹ng cã thÓ tham gia çc 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 çc
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 çc 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, çc
axit amin (AA) cã thÓ ®−îc dïng ®Ó tæng hîp protein mét çch 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 çc ®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 çc axit nucleic ®−îc ho¹t hãa bëi pyrophosphate (~)

C¶ hai axit nucleic lµ ARN vµ ADN ®Òu ®−îc cÊu thµnh tõ çc ®¬n ph©n lµ nucleotide,
hay cßn ®−îc gäi lµ çc nucleoside phosphate hoÆc mononucleotide. XÐt vÒ nhiÖt ®éng häc,
çc mononucleotide cßn khã tù h×nh thµnh liªn kÕt víi nhau h¬n so víi çc axit amin. §ã
lµ do liªn kÕt phosphodieste gi÷a çc nucleotide khi bÞ thñy ph©n cã møc n¨ng l−îng tù do
kh¸ lín (-6 kcal/mol). §iÒu ®ã cã nghÜa lµ çc axit nucleic chØ tù thñy ph©n thµnh çc
nucleotide ë tèc ®é thÊp. V× vËy, ®Ó tæng hîp çc axit nucleic viÖc ho¹t hãa çc nucleotide
cßn cÇn n¨ng l−îng cao h¬n so víi çc axit amin lµ tiÒn chÊt tæng hîp protein.

Çc tiÒn chÊt trung gian ®Ó tæng hîp ADN vµ ARN lµ çc 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, çc 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
çc ph¶n øng chuyÓn nhãm chøc ®−îc nªu ë çc ph−¬ng tr×nh 1.14 vµ 1.15. Çc dNTP
®−îc h×nh thµnh c¬ b¶n dùa trªn cïng nguyªn t¾c lµ: sau khi çc 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)

Çc 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 çc 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 çc 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 çc axit
nucleic hÇu nh− kh«ng bao giê tù ®øt g·y thµnh çc 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 çc 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 çc
axit nucleic, mµ thùc tÕ, hÇu hÕt çc 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 çc nucleoside diphosphate (NDP);
(b) tiÒn chÊt lµ çc nucleoside triphosphate (NTP)

18

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña çc ®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, çc 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 çc 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 çc  riªng lÎ. §iÒu
nµy ng¨n c¶n kh¶ n¨ng x¶y ra çc ph¶n øng ®¶o ng−îc. Nãi çch 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 çc NTP ®−îc dïng lµm tiÒn chÊt
tæng hîp çc 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 çc 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. Çc liªn kÕt m¹nh vµ yÕu quy ®Þnh cÊu h×nh cña çc ®¹i ph©n tö

ADN, ARN vµ protein ®Òu lµ çc ®¹i ph©n tö sinh häc ®−îc h×nh thµnh tõ çc ®¬n
ph©n. §èi víi ADN vµ ARN, nh÷ng ®¬n ph©n nµy lµ çc 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 çc ®¹i ph©n tö nµy ®Òu ®−îc quy ®Þnh bëi thµnh phÇn vµ trËt
tù cña çc ®¬n ph©n. Çc 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 çc ®¹i ph©n tö nµy. CÊu tróc
bËc I cña ADN, ARN vµ protein lµ trËt tù cña çc ®¬n ph©n liªn kÕt víi nhau bëi çc 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 çc liªn kÕt yÕu, bao gåm çc liªn kÕt hydro, ion, kÞ n−íc vµ lùc Van der
Waals, ®· t¹o nªn çc vÞ trÝ ho¹t ®éng cña çc 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 çc chÊt tÈy), dï cho çc 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 çc 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 çc phÇn sau cña gi¸o tr×nh nµy, bao gåm c¶ çc qu¸ tr×nh sao
chÐp, phiªn m·, dÞch m·, ®iÒu hßa biÓu hiÖn cña çc 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 çc 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 çc 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
çc liªn kÕt hydro gi÷a çc 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 çc 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, çc nguyªn tö trªn bÒ mÆt cña phÇn ®−êng vµ phosphate th−êng h×nh thµnh çc liªn kÕt
yÕu víi çc ph©n tö n−íc ë xung quanh.

Çc 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 çc baz¬ nit¬ chia sÎ ®−îc çc ®iÖn tö (π - π), ®ång thêi h¹n chÕ sù tiÕp xóc cña
chóng víi çc ph©n tö n−íc. Sù cã mÆt cña çc 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 çch 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 çc purine vµ pyrimidine vèn cã tÝnh kÞ n−íc ph¶i tiÕp xóc víi çc
ph©n tö n−íc lµ kh«ng phï hîp víi xu h−íng hãa n¨ng. Thø hai, çc ph©n tö ADN sîi kÐp
cã mét l−îng lín çc 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 çc ph©n tö cã thÓ lµm ®øt g·y çc 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 çc
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 çc ®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 çc liªn kÕt

yÕu ngµy cµng trë nªn kÐm bÒn. ë nhiÖt ®é cao, sù ®øt g·y cña çc 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 çc protein kh¸c nhau, nªn chóng th−êng kh«ng cã
cÊu h×nh bËc 3 æn ®Þnh. Çc 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× çc mèi t−¬ng t¸c néi ph©n tö gi÷a çc
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 çc 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 çc 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
çc ph©n tö ARN, gèc C2’-OH nµy th−êng tham gia vµo çc mèi t−¬ng t¸c gióp æn ®Þnh cÊu
h×nh ph©n tö. Ch¼ng h¹n nh− çc ion hãa trÞ 2 (nh− Mg2+, Mn2+, Ca2+) khi g¾n vµo ph©n tö
ARN gióp çc 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 çc ®iÖn tÝch ©m cña trôc ph©n tö, t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó çc 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 çc
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 çc ®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. Çc vïng cã cÊu tróc xo¾n kÐp vµ xÕp chång
lªn nhau nh− vËy cña ARN cßn cã thÓ cã çc 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 çc axit amin - thµnh phÇn cÊu t¹o nªn çc 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. Çc 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 çc lo¹i axit amin
vµ cßn ®−îc gäi lµ gèc R. Gèc R cña çc axit amin kh¸c nhau vÒ kÝch th−íc, h×nh d¹ng,

thµnh phÇn hãa häc vµ ®Æc tÝnh hãa lý. Dùa trªn çc thuéc tÝnh hãa lý, çc chuçi bªn (gèc
R) cña çc 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). Çc gèc R thuéc nhãm
trung tÝnh kh«ng ph©n cùc gåm çc chuçi cacbon hoÆc cÊu tróc vßng th¬m cã tÝnh kÞ n−íc.
Çc gèc R thuéc nhãm trung tÝnh ph©n cùc gåm hydroxyl, sulfhydryl, amit vµ imidazole cã
kh¶ n¨ng t¹o liªn kÕt hydro m¹nh. Çc gèc R mang ®iÖn tÝch (cã tÝnh axit hoÆc baz¬), bao
gåm çc amin vµ cacboxylate bËc mét hoÆc hai, cã kh¶ n¨ng t¹o çc liªn kÕt hydro vµ ion.
TÊt c¶ çc lo¹i chuçi bªn R ®Òu cã thÓ tham gia çc liªn kÕt Van der Waals.

1.4.1.4. Liªn kÕt peptide

Liªn kÕt céng hãa trÞ gi÷a çc 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 çc nguyªn tö bÞ h¹n chÕ. Çc
nguyªn tö chØ cã thÓ quay tù do quanh liªn kÕt khi

chØ cã mét liªn kÕt ®¬n duy nhÊt, ch¼ng h¹n nh− çc

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 çc liªn kÕt ®¬n vµ nhau b»ng mét liªn kÕt peptide

do ®ã çc nguyªn tö cã thÓ quay tù do. Víi ®Æc ®iÓm

cÊu tróc nµy, vÒ lý thuyÕt çc 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 çc

liªn kÕt peptide mµ kh¶ n¨ng quay quanh liªn kÕt cña çc nguyªn tö vµ gèc R bÞ h¹n chÕ.

§iÒu nµy lµm cÊu h×nh kh«ng gian cña çc ph©n tö protein võa cã tÝnh æn ®Þnh võa cã

tÝnh linh ho¹t t−¬ng ®èi khi t−¬ng t¸c víi çc 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 çc axit amin cÊu t¹o nªn
ph©n tö ®ã. Çc axit amin gÇn nhau t¹o çc 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.
Çc 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 çc ph©n tö protein ®Òu ®−îc cÊu thµnh tõ nhiÒu chuçi
polypeptide kh¸c nhau, trong ®ã mçi chuçi ®−îc gäi lµ çc tiÓu ®¬n vÞ protein. Çc 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 çc chuçi bªn

Çc 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)

Çc 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)

Çc axit amin tÝch ®iÖn d−¬ng (tÝnh kiÒm / tÝnh baz¬) Çc 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 çc ®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
çc liªn kÕt yÕu (chñ yÕu lµ liªn kÕt hydro) gi÷a çc nguyªn tö thuéc çc nhãm imino vµ
cacboxyl gÇn nhau trªn chuçi polypeptide vµ phï hîp víi khung peptide cã çc gãc quay
lµ φ (phi) vµ ψ (psi), do t¸c ®éng phèi trÝ cña çc 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 çc chuçi xo¾n α.

ViÖc h×nh thµnh cÊu h×nh xo¾n α chñ yÕu dùa trªn sù tiÕp xóc gi÷a çc nguyªn tö
trªn trôc polypeptide dÉn ®Õn hiÖn t−îng lµ çc chuçi bªn (gèc R) cña çc axit amin trªn
chuçi polypeptide th−êng ®−îc ®Èy ra xa khái chuçi xo¾n (h×nh 1.8). §iÒu nµy gióp çc
chuçi bªn cã ®−îc vÞ trÝ lý t−ëng ®Ó cã thÓ t−¬ng t¸c víi çc vïng kh¸c cña çc ph©n tö
protein, hoÆc víi çc ®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. Çc gãc quay phi (φ) vµ psi (ψ) quanh çc 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 çc 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 çc 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 çc ph©n ®o¹n polypeptide sao cho çc nhãm -C=O vµ -NH thuéc
çc ph©n ®o¹n liÒn kÒ xÕp th¼ng hµng vµ cã thÓ t¹o liªn kÕt hydro víi nhau. Qua tËp hîp

çc 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 çc nhãm -C=O vµ -NH cã thÓ liªn kÕt hydro ®−îc víi nhau (dÉn
®Õn çc nhãm nµy n»m trªn cïng mÆt ph¼ng), çc axit amin gÇn kÒ ph¶i quay ng−îc
nhau 180o, vµ v× vËy çc gèc R t−¬ng øng cña chóng th−êng h−íng vÒ çc 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 çc chuçi β liÒn kÒ. ë d¹ng thø nhÊt, çc 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, çc 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¶ çc 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¶ çc nhãm peptide ®Òu n»m trªn bÒ mÆt cña “mÆt ph¼ng t−¬ng
®èi”. Çc nghiªn cøu cÊu h×nh kh«ng gian cña protein cho thÊy phÇn lín çc 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 çc d¹ng cÊu h×nh kh«ng gian æn
®Þnh. Tuy vËy, ®Ó cã ®−îc kh¶ n¨ng t−¬ng t¸c tèi ®a víi çc ph©n tö kh¸c trong qu¸ tr×nh
biÓu hiÖn chøc n¨ng, çc ph©n tö protein ph¶i cã cÊu h×nh linh ho¹t h¬n. Kh¶ n¨ng çc
chuçi bªn (gèc R) cã thÓ bÎ cong mét phÇn çc khung ph©n tö cã vai trß lµm t¨ng kh¶ n¨ng
t¹o ra çc liªn kÕt thø cÊp cña çc 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 çc chuçi β. Çc axit amin t¹i
çc vÞ trÝ nót th¾t th−êng chØ cã vai trß nèi gi÷a çc vßng xo¾n α vµ mÆt ph¼ng β, vµ b¶n
th©n chóng kh«ng cã cÊu h×nh bËc hai æn ®Þnh. Çc “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 çc ph©n tö protein lµ
thµnh phÇn çc axit amin cã tÝnh kÞ n−íc. Trong m«i tr−êng n−íc, çc ph©n tö protein cã
xu h−íng gÊp nÕp sao cho çc 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 çc 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 çc gèc ph©n cùc th× th−êng kÐm bÒn trong m«i tr−êng n−íc. Nãi
çch 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 çc liªn kÕt cßn cÇn ®Ó
cµi çc gèc kÞ n−íc vµo gi÷a çc ph©n tö n−íc.

24

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña çc ®¹i ph©n tö sinh häc

1.4.2. CÊu h×nh kh«ng gian ®Æc thï cña protein ®−îc quy ®Þnh bëi çc 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 çc 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 çc liªn kÕt hydro. Trong khi çc t−¬ng t¸c kÞ n−íc th−êng kh«ng phô thuéc vµo
h−íng vµ vÞ trÝ cña çc gèc (nhãm chøc) cho vµ nhËn liªn kÕt, th× çc liªn kÕt hydro th−êng
®ßi hái çc gèc nµy ph¶i cã kho¶ng çch vµ tÝnh ®Þnh h−íng nhÊt ®Þnh. Nh×n chung, çc
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 çc 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 çc 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

Çc 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 çc chuçi polypeptide h×nh thµnh nªn çc ph©n tö protein ho¹t ®éng chøc
n¨ng cã khèi l−îng tõ 20.000 ®Õn 70.000 Da.

Çc 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 çc 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 çc 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. Çc protein ®−îc cÊu t¹o chØ tõ mét sè Ýt çc 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 çc motif c¬ b¶n ®−îc dïng phèi hîp
víi nhau ®Ó t¹o nªn sù ®a d¹ng vµ phong phó cña çc ph©n tö protein. MÆc dï cho ®Õn nay
ch−a gäi tªn ®−îc hÕt çc 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.

Çc 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 çc
enzym liªn kÕt ATP. Domain chøa motif nµy liªn kÕt víi ATP qua mét mÆt ph¼ng β ë
trung t©m vµ cã çc chuçi xo¾n α ë hai bªn. VÞ trÝ liªn kÕt lµ ë ®Çu tËn cïng C cña chuçi β.
Çc ph©n tö protein cã cïng motif nµy chØ kh¸c vÒ sè l−îng vµ çch s¾p xÕp cña çc chuçi
xo¾n α vµ ®«i khi lµ trËt tù cña çc chuçi β. Çc domain chøa çc motif t−¬ng tù ë çc 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 çc domain

Çc thuéc tÝnh vµ chøc n¨ng kh¸c nhau cña protein cã thÓ xuÊt hiÖn tõ sù tæ hîp kh¸c
nhau gi÷a çc m«®un cña çc 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 çc 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. Çc enzym dehydrogenase chØ kh¸c nhau vÒ cÊu tróc cña domain thø hai.

Çc 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 çc 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 çc axit amin
trong domain lín cña CAP víi tr×nh tù cña mét tiÓu phÇn protein cña çc 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. Çc liªn kÕt yÕu x¸c ®Þnh vÞ trÝ ®Ýnh kÕt cña protein trªn ph©n tö ADN vµ ARN

Çc protein liªn kÕt ADN tham gia ®iÒu hßa nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc c¬ b¶n. Çc
liªn kÕt yÕu gióp cho çc ph©n tö protein ®Ýnh kÕt ®−îc víi ADN còng chÝnh lµ çc liªn kÕt
gióp h×nh thµnh cÊu h×nh kh«ng gian ba chiÒu cña çc ph©n tö ADN, ARN vµ protein. Çc
protein liªn kÕt ADN phæ biÕn nhÊt chÝnh lµ çc 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 çch ®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, çc
kiÓu t−¬ng t¸c kh¸c biÓu hiÖn tÝnh ®Æc thï ®èi víi cÊu h×nh kh«ng gian gi÷a çc 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 çc 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, çc protein SSB h×nh thµnh çc
liªn kÕt ion vµ hydro víi khung phosphate cña ADN m¹ch ®¬n vµ qua viÖc xen cña çc
chuçi bªn d¹ng vßng kÝch th−íc lín cña mét sè axit amin ®Æc thï (nh− tyrosine hoÆc
tryptophane) vµo gi÷a çc baz¬ nit¬.

HÇu hÕt çc protein liªn kÕt ADN ®−îc nh¾c ®Õn trong gi¸o tr×nh nµy lµ çc 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 çc tr×nh tù ®Æc hiÖu trong hÖ gen (vÝ dô: çc ®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 çc
protein liªn kÕt ®Æc hiÖu ADN. §Õn nay, c¬ chÕ phæ biÕn nhÊt ®Ó çc protein nhËn ra çc
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 çc 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 çc 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 çc cÆp
baz¬ nit¬. §iÒu nµy cho phÐp çc 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 çc nguyªn tö cho
vµ nhËn liªn kÕt hydro t¹i çc khe chÝnh vµ khe phô (r·nh phô) cña ph©n tö

26

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña çc ®¹i ph©n tö sinh häc

ADN sîi kÐp. §iÒu ®¸ng chó ý ë ®©y lµ sù kÕt cÆp çc baz¬ liªn kÕt hydro t¹i çc
khe chÝnh cña ADN kh«ng chØ gióp ph©n biÖt ®−îc çc cÆp G:C vµ A:T, mµ ngay
c¶ gi÷a çc 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 çc cÆp A:T vµ G:C (nªn ®©y th−êng lµ vÞ
trÝ liªn kÕt Ýt ®Æc hiÖu h¬n cña çc protein cÊu tróc, ch¼ng h¹n nh− çc 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. Çc 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 çc chuçi xo¾n
α vµo khe chÝnh cña ADN.

MÆc dï chuçi xo¾n α ®−îc sö dông phæ biÕn trong viÖc nhËn biÕt çc 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 çc ho¹t ®éng tiÕp xóc nµy lµ çc vïng chøa axit
amin tÝch ®iÖn d−¬ng n»m gÇn çc vÞ trÝ liªn kÕt víi çc baz¬ nit¬. Sù kÕt hîp nµy vÒ c¬ b¶n
phô thuéc vµo lùc tÜnh ®iÖn gi÷a çc 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 çc 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 çc protein g¾n vµo nhiÒu vÞ trÝ kh«ng
®Æc hiÖu trªn ph©n tö ADN còng nh− ë çc vÞ trÝ ADN ®Æc thï cña nã. Së dÜ nh− vËy, bëi v×
trong hÖ gen, sè çc vÞ trÝ kh«ng ®Æc hiÖu nhiÒu h¬n rÊt nhiÒu so víi sè çc 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 çch 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 çc vÞ trÝ
liªn kÕt ADN ®Æc hiÖu lu«n cã xu h−íng ®−îc liªn kÕt bëi çc protein ®iÒu hßa ®Æc hiÖu
t−¬ng øng. Nh−ng ng−îc l¹i, phÇn lín çc ph©n tö protein ®iÒu hßa l¹i g¾n vµo çc 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. Çc protein liªn kÕt kh«ng ®Æc hiÖu (trªn c¬ së çc 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 çc
tr×nh tù ®Æc thï cña chóng. Sù khuÕch t¸n nh− vËy cho phÐp çc 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, çc 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. Çc nguyªn tö cho vµ nhËn liªn kÕt hydro t¹i çc 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,  çc 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 çch 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 çc
protein nµy cÇn n¨ng l−îng vµ th−êng ®−îc lÊy tõ ATP.

1.4.3.5. Protein cã nhiÒu çch kh¸c nhau ®Ó nhËn biÕt ARN

Chóng ta biÕt r»ng ARN cã cÊu tróc ®a d¹ng h¬n so víi ADN. Çc protein liªn kÕt
ARN cã nhiÒu vai trß kh¸c nhau, tõ viÖc gi÷ æn ®Þnh cÊu tróc ARN cho ®Õn viÖc thùc hiÖn
çc chøc n¨ng cña enzym. CÊu tróc kh¸c nhau cña çc protein khi liªn kÕt vµo çc ph©n tö
ARN ®Ých cho thÊy chóng cã nhiÒu çch ®Ó nhËn biÕt tr×nh tù ARN.

28

Ch−¬ng 1. liªn kÕt hãa häc cña çc ®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 çc 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 çc protein liªn kÕt ADN, çc protein liªn kÕt ARN th−êng kh«ng sö
dông çc chuçi xo¾n α ®Ó cµi vµo çc 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¶ çc 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 çc 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 çc 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 çc c¬ chÕ ®iÒu hßa phæ biÕn trong çc hÖ thèng sinh
häc. “DÞ h×nh” ë ®©y cã nghÜa lµ “cã çc 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 çc vÞ
trÝ ho¹t ®éng hoÆc çc vÞ trÝ liªn kÕt kh¸c cña protein) dÉn ®Õn lµm t¨ng hay gi¶m ho¹t ®é
cña protein. Cã v« sè çc vÝ dô vÒ çc protein ho¹t ®éng theo qui t¾c dÞ h×nh, bao gåm tõ
çc enzym trong çc con ®−êng trao ®æi chÊt ®Õn çc 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
çc ligand. Trong ®ã, çc chÊt kÝch øng dÞ h×nh phæ biÕn nhÊt lµ çc 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 çc lo¹i protein kh¸c nhau. Tr−êng hîp thø ba liªn quan
®Õn sù biÕn ®æi ë mét sè tiÓu phÇn axit amin trong çc 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 çc ligand,
qua t−¬ng t¸c protein-protein vµ qua sù biÕn ®æi cña çc 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 çc
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 çc 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 (çc
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 çc 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.

Çc 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 Çc 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 çc ®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 çc 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 çc ph©n tö kh¸c tr−íc khi chuyÓn sang tr¹ng th¸i ho¹t ®éng. VÝ dô
vÒ sù ®iÒu hßa nµy lµ çc 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 çc 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 çc gen) cã vÞ trÝ liªn kÕt phï hîp víi çc
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 ÇC §¹I PH¢N

Tö SINH HäC - adn, arn Vµ PRoTeIN

2.1. Çc 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, çc t¸c gi¶ viÕt: “§iÒu ¸m ¶nh chóng t«i lµ nguyªn t¾c
kÕt cÆp bæ sung cña çc 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 çc ®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 ç 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 çc nghiªn
cøu cña Gregor Mendel (1866) - ng−êi ®· ph¸t hiÖn ra çc quy luËt vËn ®éng cña çc
“nh©n tè di truyÒn”, mµ sau nµy chóng ta gäi ®ã lµ çc “gen”, th«ng qua çc thÝ nghiÖm lai
t¹o ë c©y ®Ëu Hµ Lan. Mét ®iÒu thó vÞ lµ hai nhµ khoa häc nµy lóc c«ng bè çc 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, çc 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 çc 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 çc nghiªn cøu
thuéc Di truyÒn häc cã xu h−íng tËp trung vµo hai h−íng chÝnh. NÕu nh− çc 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 çc 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 çc 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 çc ®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 çc axit nucleic bao gåm çc 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 çc 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 çc nghiªn cøu vÒ thµnh phÇn cña çc axit nucleic. Tõ ®ã ®Õn nay, cÊu tróc vµ chøc
n¨ng cña çc 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 çc axit nucleic vµ b»ng çch nµo çc 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 çc 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 çc vi khuÈn chñng R cßn sèng víi çc 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.
Çc 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 çc 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 çc loµi sinh vËt lµ

ADN, vµ ë mét sè virut lµ ARN.

33

Pages:

Click to View FlipBook Version