Nucleotide là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa nucleotide

Nucleotide là đơn vị cấu trúc cơ bản của axit nucleic (DNA và RNA), bao gồm ba thành phần chính: một base nitơ (purine hoặc pyrimidine), một phân tử đường pentose (deoxyribose hoặc ribose), và một nhóm phosphate. Chúng tham gia vào việc mã hóa, lưu trữ và truyền tải thông tin di truyền trong sinh vật sống.

Thông tin nền tại NCBI – Nucleotide.

Cấu trúc hóa học của nucleotide

Mỗi nucleotide gồm:

• Base nitơ: Adenine (A), Thymine (T), Cytosine (C), Guanine (G), hoặc Uracil (U – trong RNA).
• Đường pentose: Deoxyribose (DNA) hoặc ribose (RNA).
• Nhóm phosphate: Một đến ba nhóm phosphate liên kết với carbon số 5 của đường.

Công thức tổng quát: $\text{Nucleotide} = \text{Base} + \text{Sugar} + \text{Phosphate}$

Phân loại nucleotide

Nucleotide được phân loại theo:

• Loại base nitơ: Purine (A, G) và Pyrimidine (C, T, U).
• Loại đường: Nucleotide trong RNA (ribose) và DNA (deoxyribose).
• Số lượng nhóm phosphate: AMP, ADP, ATP là các dạng mono-, di-, và triphosphate.

Xem thêm tại HHMI Biointeractive.

Vai trò sinh học

Nucleotide là thành phần cấu trúc của axit nucleic, nơi chúng liên kết với nhau tạo thành chuỗi DNA và RNA nhờ liên kết phosphodiester giữa carbon 3' và 5' của đường pentose.

Chúng còn tham gia vào:

• Truyền tín hiệu nội bào (cAMP, cGMP).
• Trao đổi năng lượng tế bào (ATP, GTP).
• Hỗ trợ tổng hợp enzyme và coenzyme (NAD⁺, FAD).

Tổng hợp nucleotide trong tế bào

Trong sinh vật sống, nucleotide được tổng hợp thông qua hai con đường chính: con đường tổng hợp mới (de novo) và con đường hồi phục (salvage). Cả hai cơ chế đều cần thiết để duy trì cân bằng nội bào, cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp DNA, RNA và các phân tử tín hiệu.

Con đường de novo bắt đầu từ các tiền chất nhỏ như ribose-5-phosphate, amino acid (glutamine, glycine, aspartate), và CO₂. Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và chịu điều hòa phức tạp bởi nhu cầu nucleotide của tế bào. Ngược lại, con đường salvage tái sử dụng base nitơ hoặc nucleoside tự do, là cơ chế tiết kiệm năng lượng hơn.

Rối loạn trong tổng hợp hoặc phân giải nucleotide có thể dẫn đến các bệnh lý như:

• Gout: do tích tụ acid uric từ phân hủy purine.
• Bệnh Lesch-Nyhan: do thiếu enzyme HGPRT trong con đường salvage.
• Thiếu hụt ADA: liên quan đến suy giảm miễn dịch bẩm sinh (SCID).

Nucleotide và di truyền học

Các nucleotide tạo nên trình tự DNA và RNA, từ đó hình thành mã di truyền – quy định cấu trúc và chức năng của protein. Mỗi nhóm ba nucleotide (codon) mã hóa một amino acid cụ thể. Trình tự codon xác định chuỗi amino acid của protein thông qua quá trình dịch mã.

Đột biến trong một nucleotide (đột biến điểm) có thể dẫn đến:

• Đột biến đồng nghĩa: không thay đổi amino acid.
• Đột biến sai nghĩa: thay đổi amino acid, có thể ảnh hưởng chức năng.
• Đột biến vô nghĩa: tạo codon kết thúc sớm, làm mất chức năng protein.

Các nghiên cứu về biến thể nucleotide đơn (SNP – single nucleotide polymorphism) đóng vai trò quan trọng trong y học cá thể hóa và dịch tễ học di truyền. Xem chi tiết tại NHGRI – Nucleotide.

Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Nucleotide là nguyên liệu thiết yếu trong các công nghệ sinh học phân tử, nổi bật là phản ứng PCR (polymerase chain reaction), nơi các dNTP được sử dụng để tổng hợp chuỗi DNA mới dựa trên mạch khuôn. Chúng cũng được tích hợp trong phương pháp giải trình tự DNA (Sanger và NGS) bằng cách sử dụng nucleotide gắn chất huỳnh quang.

Một số ứng dụng khác:

• Thiết kế oligonucleotide và mồi PCR.
• Đầu dò lai hóa DNA/RNA dùng trong FISH, Northern blot, microarray.
• Tổng hợp RNA dẫn (guide RNA) trong kỹ thuật chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9.

Các hãng công nghệ sinh học như Illumina, Thermo Fisher Scientific, và IDT đều phát triển nền tảng liên quan đến nucleotide tổng hợp. Tham khảo thêm tại EMBL-EBI – Nucleotide Overview.

Vai trò trong y học và dược học

Một số chất tương tự nucleotide (nucleotide analogs) được sử dụng trong điều trị ung thư và bệnh truyền nhiễm. Chúng hoạt động bằng cách chèn vào chuỗi DNA hoặc RNA đang được tổng hợp, làm gián đoạn quá trình sao chép của tế bào hoặc virus.

Ví dụ điển hình:

Hoạt chất	Ứng dụng	Cơ chế
5-Fluorouracil (5-FU)	Hóa trị ung thư	Ức chế thymidylate synthase
Acyclovir	Virus herpes	Ức chế DNA polymerase virus
Remdesivir	COVID-19	Ức chế RNA polymerase SARS-CoV-2

Ngoài ra, nucleotide là thành phần nền tảng cho vắc xin mRNA như Pfizer/BioNTech và Moderna, nơi chuỗi RNA được mã hóa từ trình tự nucleotide tổng hợp, kích thích hệ miễn dịch tạo đáp ứng. Xem nghiên cứu tại Nature Biotechnology.

Khác biệt giữa nucleotide và nucleoside

Mặc dù thường bị nhầm lẫn, nucleotide và nucleoside là hai khái niệm khác nhau. Nucleoside bao gồm base nitơ và đường pentose, trong khi nucleotide có thêm nhóm phosphate gắn vào carbon số 5 của đường.

So sánh cụ thể:

Thành phần	Nucleoside	Nucleotide
Base nitơ	Có	Có
Đường pentose	Có	Có
Nhóm phosphate	Không	Có

Trong sinh học, nucleoside có thể được phosphoryl hóa để tạo thành nucleotide – là bước quan trọng trong quá trình tổng hợp axit nucleic và ATP.

Tóm tắt

Nucleotide là đơn vị cơ bản cấu tạo DNA và RNA, gồm base nitơ, đường pentose và nhóm phosphate, đóng vai trò chính trong mã hóa và truyền thông tin di truyền. Chúng còn có vai trò năng lượng, truyền tín hiệu, ứng dụng trong y học, công nghệ sinh học và điều trị bệnh, với cấu trúc và chức năng rõ ràng, đặc thù sinh học cao.