Nội dung
ADN là gì?
ADN là vật chất di truyền nằm trong nhân tế bào và mang thông tin quy định mọi hoạt động sống của sinh vật, bao gồm sinh trưởng, phát triển và sinh sản.
ADN nằm ở trong nhân tế bào và có ở tất cả các sinh vật sống và nhiều loài virus.
Tên khoa học của ADN
- Tên tiếng Anh: deoxyribonucleic acid (viết tắt là DNA)
- Tên tiếng Việt: axit deoxyribonucleic (viết tắt là ADN)
Đặc điểm cấu tạo của ADN
ADN là phân tử có kích thước lớn với cấu trúc đa phân và được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, P.
Toàn bộ phân tử ADN là một chuỗi polymer được liên kết từ rất nhiều đơn phân monomer có tên gọi là nucleotide (viết tắt là Nu).
Mỗi nucleotide được tạo thành từ 3 nguyên liệu cơ bản là:
- Bazơ nitơ
- Đường deoxyribose
- nhóm phosphate
Bazơ nitơ, hay còn gọi là nuclebase, là thành phần cơ bản cấu tạo nên axit nucletic (ADN và ARN). Do đó, bazơ nitơ còn được gọi là bazơ của axit nucleic để phân biệt với các loại bazơ khác.
Có 4 loại bazơ nitơ cấu tạo nên phân tử ADN là:
- Adenine (A)
- Thymine (T)
- Guanine (G)
- Cytosine (C)
Nucleoside là đơn vị cấu tạo cơ bản gồm bazơ nitơ kết hợp với đường deoxyribose. Hợp chất này cũng còn gọi là glycosylamine.
Nucleotide được tạo thành từ nucleoside liên kết với nhóm phosphate:
- Nếu nucleoside liên kết với 1 nhóm phosphate sẽ tạo thành Nucleoside monophosphat
- Nếu nucleoside liên kết với 2 nhóm phosphate sẽ tạo thành Nucleoside diphosphat
- Nếu nucleoside liên kết với 3 nhóm phosphate sẽ tạo thành Nucleoside triphosphat
Đặc điểm cấu trúc của ADN
Phân tử ADN gồm 2 sợi polynucleotide chạy song song ngược chiều nhau, hình dạng giống như 1 chiếc thang, trong đó:
- mỗi bên của chiếc thang là một sợi polynucleotide được liên kết từ rất nhiều các đơn phân nucleotide;
- các bậc thang là các phân tử bazơ nitơ liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên tắc xác định.
Khung xương chính của 1 sợi ADN tạo nên từ các nhóm phosphat và phân tử đường xen kẽ nhau.
Các phân tử đường liên kết với các nhóm phosphat tạo thành liên kết phosphodieste giữa nguyên tử carbon thứ 3 với nguyên tử carbon thứ 5 trên hai mạch vòng của hai phân tử đường liền kề. Liên kết bất đối xứng này cho phép xác định hướng chạy của mạch đơn ADN.
Năm 1953, hai nhà khoa học là James Watson và Francis Crick đã công bố cấu trúc không gian 3 chiều của phân tử ADN có dạng chuỗi xoắn kép và xoắn theo chiều xoắn phải (thuận chiều kim đồng hồ).
Trong thực tế, phân tử ADN luôn luôn chuyển động chứ không ở trạng thái tĩnh.
Hai mạch polynucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hydro, xoắn đều quanh một trục tưởng tượng theo chiều từ trái sang phải (xoắn phải), mỗi chu kỳ xoắn dài 34 ångström (3,4 nm) và có bán kính 10 ångström (1,0 nm).
Theo một nghiên cứu, khi đo đạc trong một dung dịch, chuỗi phân tử ADN rộng 22–26 Å (2.2–2.6 nm, và một đơn phân nucleotide dài 3,3 Å (0,33 nm). Dù cho mỗi đơn vị lặp lại có kích thước rất nhỏ, polymer ADN vẫn là những phân tử rất lớn chứa hàng triệu nucleotide.
Xem xét gần hơn trên một chuỗi xoắn kép, người ta nhận thấy các nucleotide hướng theo một chiều trên một mạch và theo chiều ngược lại trên mạch kia, gọi là: hai mạch hướng ngược chiều nhau hay đối song song (antiparallel).
Các đầu không đối xứng kết thúc của chuỗi ADN là đầu 5′ (năm phẩy) và đầu 3′ (ba phẩy), với đầu 5′ kết thúc bởi nhóm phosphat và đầu 3′ kết thúc bởi nhóm hydroxyl (OH).
Chuỗi xoắn kép ADN được ổn định bởi hai lực liên kết chính: liên kết hydro giữa các nucleotide của hai mạch và tương tác xếp chồng (base-stacking) giữa các bazơ nitơ.
4 loại bazơ nitơ là A, T, G, C được chia thành 2 nhóm chính:
- Nhóm cấu tạo từ cấu trúc nhân pyrine gồm Adenine và Guanine
- Nhóm cấu tạo từ cấu trúc nhân pyrimidine bao gồm Thymine, Cytosine và Uracil (có trong ARN)
Trên mỗi sợi polynucleotide, vị trí của mỗi bazơ nitơ xác định mã di truyền và thông tin mã hóa cho các protein và enzyme. Sự thay đổi vị trí của các bazơ nitơ cũng sẽ thay đổi mã di truyền và dẫn tới hiện tượng đột biến.
Trong cấu trúc của phân tử ADN, khoảng cách của mỗi chuỗi xoắn là 3,4 nm. Do đó, khoảng cách giữa hai cặp bazơ liên tiếp (tức là các bazơ liên kết hydro của các sợi đối diện) là 0,34 nm.
Do đặc điểm của cấu trúc nhân pyrin và pyrimidine nên các bazơ nitơ liên kết với nhau để tạo thành các tay thang dựa trên nguyên tắc:
- A liên kết với T qua 2 liên kết hydro
- G liên kết với C qua 3 liên kết hydro
Các liên kết giữa A-T và G-C đảm bảo cho 2 sợi polynucleotide chạy đối song song với nhau và tạo thành cấu trúc chuỗi xoắn kép đặc trưng.
Các dạng cấu trúc của ADN
Dựa vào đặc điểm cấu trúc phân tử ADN, các nhà khoa học đã xác định 3 dạng cấu trúc của ADN:
- A-DNA: Đây là chuỗi xoắn kép thuận tay phải tương tự như dạng B-DNA. ADN khử nước có dạng A để bảo vệ ADN trong các điều kiện khắc nghiệt như hút ẩm. Liên kết protein cũng loại bỏ dung môi khỏi ADN và ADN có dạng A.
- B-DNA: Đây là cấu trúc ADN phổ biến nhất và là chuỗi xoắn phải. Phần lớn ADN có cấu hình loại B trong điều kiện sinh lý bình thường.
- Z-DNA: là DNA xoắn trái trong đó chuỗi xoắn kép cuộn sang trái theo hình zig-zag. Z-DNA được phát hiện bởi Andres Wang và Alexander Rich. Dạng cấu trúc này thường được tìm thấy trước vị trí bắt đầu của gen và do đó, được cho là có vai trò nào đó trong việc điều hòa gen.
Các dạng cấu trúc của ADN (từ trái sang phải): A-DNA; B-DNA và Z-DNA
Cấu trúc rãnh ADN
Hai mạch đơn xoắn đôi vào nhau tạo thành bộ khung cho ADN.
Ở chuỗi xoắn kép này có thể xuất hiện những khoảng trống nằm cách nhau giữa hai mạch gọi là các rãnh (groove). Những rãnh này nằm liền kề với các cặp base và có thể hình thành một điểm bám (binding site). Vì hai mạch đơn không đối xứng nhau nên dẫn đến các rãnh có kích thước không đều, trong đó rãnh lớn (major groove) rộng 22 Å và rãnh nhỏ (minor groove) rộng 12 Å.
Độ rộng của rãnh giúp cho các cạnh của base trở nên dễ tiếp cận hơn trong rãnh lớn so với rãnh nhỏ. Kết quả là, các protein của các nhân tố phiên mã mà liên kết với những đoạn trình tự cụ thể trong chuỗi xoắn kép ADN thường thực hiện bằng việc tiếp xúc với các cạnh của các base ở rãnh lớn. Tình huống này thay đổi đa dạng tùy theo hình dáng bất thường của ADN bên trong tế bào, nhưng các rãnh lớn và rãnh nhỏ luôn luôn được đặt tên để phản ánh sự khác nhau về kích thước đo được nếu ADN vặn xoắn trở về dạng B thường gặp.
Các loại ADN
Có hai loại bao gồm ADN nhiễm sắc thể thường và ADN ty thể.
ADN nhiễm sắc thể thường
Là ADN nằm trong nhân tế bào. Các trình tự ADN dài gắn với protein histon để tạo thành phức hệ siêu xoắn là các nhiễm sắc thể, nơi lưu trữ các gen.
Mỗi người có 46 nhiễm sắc thể, trong đó 23 nhiễm sắc thể từ bố và 23 nhiễm sắc thể còn lại từ mẹ.
ADN ty thể
Ngoài ADN trong nhân tế bào, 1 phần nhỏ ADN được lưu trữ trong bào quan ty thể và được gọi là ADN ty thể.
ADN ty thể có sẵn trong ty thể và mỗi tế bào chứa khoảng 100-1000 bản sao. ADN ty thể là đơn bội, nghĩa là nó có nguồn gốc từ một nguồn duy nhất là mẹ.
ADN ty thể di truyền theo dòng Mẹ, nghĩa là mẹ sẽ truyền ADN ty thể cho các con, bao gồm cả con trai và con gái. Tuy nhiên chỉ có con gái mới tiếp tục di truyền ADN ty thể cho các thế hệ con cái tiếp theo.
Ai đã phát hiện ra ADN?
ADN lần đầu tiên được công nhận và xác định bởi bác sĩ và nhà sinh vật học người Thụy Sĩ Friedrich Miescher vào năm 1869 trong quá trình nghiên cứu về tế bào bạch cầu .
Ông là nhà khoa học đầu tiên phân lập được axit nucleic vào năm 1869. Ông cũng xác định được protamine và thực hiện một số khám phá khác.
Miescher đã phân lập được nhiều loại hóa chất giàu phốt phát khác nhau mà ông gọi là nucleon (nay là axit nucleic ), từ nhân của các tế bào bạch cầu trong phòng thí nghiệm của Felix Hoppe-Seyler tại Đại học Tübingen , Đức, mở đường cho xác định ADN là vật mang gen di truyền.
Miescher đã nghĩ ra nhiều dung dịch muối khác nhau, cuối cùng tạo ra một dung dịch có natri sunfat. Các tế bào đã được lọc. Vì máy ly tâm không có sẵn vào thời điểm đó nên các tế bào được phép lắng xuống đáy cốc. Sau đó ông cố gắng cô lập các hạt nhân không có tế bào chất .
Ông cho các hạt nhân đã tinh khiết được chiết bằng kiềm , sau đó là axit hóa, dẫn đến sự hình thành kết tủa mà Miescher gọi là nucleon (ngày nay được gọi là ADN). Ông phát hiện ra rằng thứ này chứa phốt pho và nitơ chứ không phải lưu huỳnh. Phát hiện này không giống bất cứ điều gì khác vào thời điểm đó đến nỗi Hoppe-Seyler đã tự mình lặp lại tất cả nghiên cứu của Miescher trước khi công bố nó trên tạp chí của mình. Miescher sau đó tiếp tục nghiên cứu sinh lý học tại Leipzig trong phòng thí nghiệm của Carl Ludwig trong một năm trước khi được bổ nhiệm làm giáo sư sinh lý học.
Tầm quan trọng của khám phá này, được công bố lần đầu tiên vào năm 1871, lúc đầu không rõ ràng, và Albrecht Kossel đã thực hiện những nghiên cứu ban đầu về cấu trúc hóa học của nó. Sau đó, Miescher đưa ra ý tưởng rằng axit nucleic có thể liên quan đến di truyền và thậm chí còn thừa nhận rằng có thể có thứ gì đó giống với bảng chữ cái có thể giải thích cách tạo ra sự biến đổi.
Quy tắc Chargeaff
Erwin Chargeaff , một nhà hóa sinh, đã phát hiện ra rằng số lượng bazơ nitơ trong ADN hiện diện với số lượng bằng nhau. Lượng A bằng T, trong khi lượng C bằng G.
A=T; C=G
Nói cách khác, ADN của bất kỳ tế bào nào từ bất kỳ sinh vật nào đều phải có tỷ lệ 1:1 giữa bazơ purine và pyrimidine.
Chức năng của ADN
ADN là vật chất di truyền có nhiệm vụ lưu trữ, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền của cơ thể sống.
ADN thông thường hiện diện trong nhiễm sắc thể dạng thẳng ở sinh vật nhân thực, và nhiễm sắc thể dạng vòng ở sinh vật nhân sơ.
Nhiễm sắc thể (chromosome) thực chất là chất nhiễm sắc (chromatin) bị co xoắn từ kỳ đầu của quá trình phân bào. Còn chất nhiễm sắc chính là phức hợp giữa chuỗi xoắn kép ADN với các protein histone và phi histone gói gọn thành một cấu trúc cô đặc. Điều này cho phép các phân tử ADN rất dài nằm gọn trong nhân tế bào. Cấu trúc vật lý của nhiễm sắc thể và chất nhiễm sắc thay đổi luân phiên tùy thuộc vào từng giai đoạn của chu kỳ tế bào.
Tập hợp các nhiễm sắc thể trong một tế bào tạo thành bộ gen; bộ gen người có xấp xỉ 3 tỷ cặp base ADN sắp xếp thành 46 nhiễm sắc thể.
Thông tin chứa trong ADN tổ chức dưới dạng trình tự của các đoạn ADN gọi là gen. Sự kế thừa thông tin di truyền trong gen được thực hiện thông qua các cặp bazơ bổ sung.
Ngoài việc lưu trữ thông tin di truyền, ADN còn tham gia vào nhiều quá trình sinh học khác nhau:
- Quá trình sao chép ADN: Truyền thông tin di truyền từ tế bào này sang tế bào con của nó và từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo và phân phối ADN đồng đều trong quá trình phân chia tế bào. Đây là cơ sở của việc con cái sẽ thừa hưởng các đặc điểm di truyền của bố và mẹ.
- Quá trình phiên mã tạo ra mARN (là phân tử trung gian truyền đạt thông tin di truyền và biểu hiện thành vị trí của các axit amin trong trình tự polypeptide của phân tử protein).
- Chuyển hóa của tế bào
- Đột biến
- Tự sửa chữa ADN
Câu hỏi 1: Hãy cho biết các đặc điểm cấu trúc của ADN giúp thực hiện chức năng lưu trữ, bảo quản và truyền đạt thông tin di truyền?
Trả lời:
Chức năng chính của ADN là lưu trữ cũng như truyền đạt thông tin di truyền. Để làm được điều đó, phân tử ADN đã có những đặc điểm cấu trúc đặc trưng:
- Trên mỗi sợi đơn của phân tử ADN: các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester (là dạng liên kết cộng hóa trị bền vững).
- Hai sợi của ADN liên kết với nhau bằng liên kết hydro thông qua sự bắt cặp của các bazơ nitơ. Mặc dù các liên kết hydro này rất yếu nhưng do số lượng liên kết hydro rất lớn nên đảm bảo cho cấu trúc không gian của ADN được ổn định, nhưng cũng dễ dạng bị cắt đứt trong quá trình sao chép ADN.
- Nhờ các cặp nucleotide bắt cặp với nhau dựa trên nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T qua 2 liên kết hydro, G liên kết với C qua 3 liên kết hydro đã giữ cho chiều rộng của ADN luôn ổn định, các vòng xoắn của phân tử ADN có thể dễ dàng liên kết với protein để hình thành cấu trúc ADN ổn định giúp lưu trữ các thông tin di truyền.
- Số lượng, thành phần và trật tự sắp xếp khác nhau của 4 loại bazơ nitơ trong các nucleotide đã hình thành nên tính đặc trưng cũng như sự đa dạng của ADN ở các loài sinh vật.
