DNA: LỊCH SỬ, CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC, THÀNH PHẦN - SINH HỌC - 2026

Các DNA (deoxyribonucleic acid) là phân tử sinh học có chứa tất cả các thông tin cần thiết để tạo ra một cơ thể và duy trì hoạt động của nó. Nó được tạo thành từ các đơn vị gọi là nucleotide, lần lượt được tạo thành từ một nhóm phốt phát, một phân tử đường năm cacbon và một cơ sở nitơ.

Có bốn bazơ nitơ: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T). Adenine luôn bắt cặp với thymine và guanine với cytosine. Thông điệp chứa trong sợi DNA được biến đổi thành RNA thông tin và điều này tham gia vào quá trình tổng hợp protein.

DNA là một phân tử cực kỳ ổn định, mang điện tích âm ở pH sinh lý, liên kết với các protein dương (histone) để tập hợp một cách hiệu quả trong nhân của tế bào nhân thực. Một chuỗi DNA dài, cùng với các protein liên kết khác nhau, tạo thành nhiễm sắc thể.

Lịch sử

Năm 1953, James Watson người Mỹ và Francis Crick người Anh đã tìm cách làm sáng tỏ cấu trúc ba chiều của DNA, nhờ công trình nghiên cứu tinh thể học do Rosalind Franklin và Maurice Wilkins thực hiện. Họ cũng dựa trên kết luận của họ về công việc của các tác giả khác.

Khi DNA tiếp xúc với tia X, một dạng nhiễu xạ được hình thành có thể được sử dụng để suy ra cấu trúc của phân tử: một chuỗi xoắn của hai chuỗi đối song quay về bên phải, nơi cả hai chuỗi được nối với nhau bằng liên kết hydro giữa các bazơ. . Mô hình thu được như sau:

Cấu trúc có thể được giả định tuân theo định luật nhiễu xạ của Bragg: khi một vật thể xen vào giữa chùm tia X, nó sẽ bị phản xạ, vì các electron của vật thể tương tác với chùm tia.

Vào ngày 25 tháng 4 năm 1953, kết quả của Watson và Crick được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature, trong một bài báo chỉ vỏn vẹn hai trang có tựa đề "Cấu trúc phân tử của axit nucleic", sẽ cách mạng hóa hoàn toàn lĩnh vực sinh học.

Nhờ phát hiện này, các nhà nghiên cứu đã nhận được giải Nobel y học năm 1962, ngoại trừ Franklin đã chết trước khi sinh nở. Hiện tại, khám phá này là một trong những dấu hiệu lớn cho sự thành công của phương pháp khoa học để thu nhận kiến ​​thức mới.

Các thành phần

Phân tử DNA được tạo thành từ các nucleotide, các đơn vị được tạo thành từ một đường năm carbon gắn với một nhóm phosphate và một bazơ nitơ. Loại đường được tìm thấy trong DNA là loại deoxyribose và do đó có tên là axit deoxyribonucleic.

Để tạo thành chuỗi, các nucleotide được liên kết cộng hóa trị bằng liên kết loại phosphodiester thông qua nhóm 3'-hydroxyl (-OH) từ đường và 5'-phosphapho của nucleotide tiếp theo.

Không nên nhầm lẫn nucleotide với nucleoside. Loại thứ hai đề cập đến phần nucleotide chỉ được tạo thành bởi pentose (đường) và bazơ nitơ.

DNA được tạo thành từ bốn loại bazơ nitơ: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T).

Các bazơ nitơ được phân thành hai loại: purin và pyrimidin. Nhóm đầu tiên bao gồm một vòng năm nguyên tử gắn với một vòng sáu nguyên tử khác, trong khi các pyrimidine chỉ bao gồm một vòng.

Trong số các bazơ được đề cập, adenin và guanin là dẫn xuất của nhân purin. Ngược lại, thymine, cytosine và uracil (có trong phân tử RNA) thuộc nhóm pyrimidine.

Kết cấu

Một phân tử DNA được tạo thành từ hai chuỗi nucleotide. "Chuỗi" này được biết đến như một sợi DNA.

Hai sợi được liên kết bằng liên kết hydro giữa các bazơ bổ sung. Các bazơ nitơ được liên kết cộng hóa trị với đường và phốt phát.

Mỗi nucleotide nằm trên một sợi có thể được kết hợp với một nucleotide cụ thể khác trên sợi kia, để tạo thành chuỗi xoắn kép nổi tiếng. Để tạo thành một cấu trúc hiệu quả, A luôn kết đôi với T bằng hai liên kết hydro, và G với C bằng ba liên kết.

Định luật Chargaff

Nếu chúng ta nghiên cứu tỷ lệ bazơ nitơ trong DNA, chúng ta sẽ thấy rằng số lượng A giống với lượng T và giống với G và C. Mô hình này được gọi là định luật Chargaff.

Sự kết đôi này rất thuận lợi về mặt năng lượng, vì nó cho phép duy trì một chiều rộng tương tự dọc theo cấu trúc, duy trì một khoảng cách tương tự dọc theo phân tử đường-photphat. Lưu ý rằng một đế của chiếc nhẫn kết hợp với một của chiếc nhẫn.

Mô hình xoắn kép

Có ý kiến ​​cho rằng chuỗi xoắn kép bao gồm 10,4 nucleotit mỗi lượt, cách nhau khoảng cách giữa tâm là 3,4 nanomet. Quá trình cán làm phát sinh các rãnh trong kết cấu, có thể quan sát thấy rãnh lớn hơn và rãnh nhỏ hơn.

Các rãnh hình thành do các liên kết glycosidic trong các cặp bazơ không đối diện nhau, về đường kính của chúng. Pyrimidine O-2 và purine N-3 được tìm thấy ở rãnh phụ, trong khi rãnh chính nằm ở vùng đối diện.

Nếu chúng ta sử dụng sự tương tự của một cái thang, các bậc thang bao gồm các cặp cơ sở bổ sung cho nhau, trong khi khung xương tương ứng với hai thanh vịn.

Các đầu tận cùng của phân tử DNA không giống nhau, đó là lý do tại sao chúng ta nói về "cực". Một đầu của nó, đầu 3 ', mang nhóm -OH, còn đầu 5' có nhóm photphat tự do.

Hai sợi được đặt theo cách đối cực, có nghĩa là chúng được đặt theo cách ngược lại đối với các cực của chúng, như sau:

Ngoài ra, trình tự của một trong các sợi phải bổ sung cho đối tác của nó, nếu nó là một vị trí có A, trong sợi đối song phải có T.

Cơ quan

Trong mỗi tế bào người có khoảng hai mét DNA phải được đóng gói một cách hiệu quả.

Sợi này phải được nén chặt để có thể chứa trong một nhân cực nhỏ có đường kính 6 μm chỉ chiếm 10% thể tích tế bào. Điều này có thể thực hiện được nhờ các cấp độ nén sau:

Lịch sử

Ở sinh vật nhân chuẩn có các protein gọi là histon, có khả năng liên kết với phân tử DNA, là mức nén đầu tiên của sợi. Các histon có điện tích dương để có thể tương tác với điện tích âm của DNA, do phốt phát cung cấp.

Histone là protein rất quan trọng đối với các sinh vật nhân chuẩn đến nỗi chúng thực tế không thay đổi trong quá trình tiến hóa - hãy nhớ rằng tỷ lệ đột biến thấp cho thấy áp lực chọn lọc lên phân tử đó là mạnh. Một khiếm khuyết trong histon có thể dẫn đến sự nén bị lỗi trong DNA.

Các histon có thể được sửa đổi về mặt sinh hóa và quá trình này điều chỉnh mức độ nén chặt của vật liệu di truyền.

Khi các histon bị "hypoacetyl hóa", chất nhiễm sắc sẽ cô đặc hơn, vì các dạng acetyl hóa sẽ trung hòa các điện tích dương của lysine (axit amin tích điện dương) trong protein.

Nucleosomes và sợi 30 nm

Sợi DNA xoắn lại thành các histone và chúng tạo thành cấu trúc giống như các hạt trên chuỗi hạt ngọc trai, được gọi là nucleosomes. Trung tâm của cấu trúc này là hai bản sao của mỗi loại histone: H2A, H2B, H3 và H4. Sự kết hợp của các histon khác nhau được gọi là "bộ tám histone".

Octamer được bao quanh bởi khoảng 146 cặp bazơ, quay vòng ít hơn hai vòng. Một tế bào lưỡng bội của người chứa khoảng 6,4 x 10 ⁹ nucleotide được tổ chức thành 30 triệu nucleosom.

Tổ chức thành các thể nhân cho phép DNA được nén chặt hơn một phần ba chiều dài ban đầu.

Trong một quá trình tách chiết vật liệu di truyền trong điều kiện sinh lý, người ta quan sát thấy các thể nhân được sắp xếp trong một sợi 30 nanomet.

Nhiễm sắc thể

Nhiễm sắc thể là đơn vị chức năng của tính di truyền, có chức năng mang gen của một cá thể. Gen là một đoạn DNA chứa thông tin để tổng hợp một protein (hoặc một loạt các protein). Tuy nhiên, cũng có những gen mã hóa các yếu tố điều hòa, chẳng hạn như RNA.

Tất cả các tế bào của con người (trừ giao tử và tế bào máu) đều có hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể, một bản di truyền từ cha và bản kia từ mẹ.

Nhiễm sắc thể là cấu trúc được tạo thành từ một đoạn DNA dài tuyến tính liên kết với các phức hợp protein nói trên. Bình thường ở sinh vật nhân thực, tất cả các vật chất di truyền trong nhân được phân chia thành một loạt nhiễm sắc thể.

Tổ chức ở sinh vật nhân sơ

Sinh vật nhân sơ là sinh vật thiếu nhân. Ở những loài này, vật liệu di truyền được cuộn nhiều cùng với các protein kiềm có trọng lượng phân tử thấp. Bằng cách này, DNA được nén chặt và nằm ở vùng trung tâm của vi khuẩn.

Một số tác giả thường gọi cấu trúc này là “nhiễm sắc thể vi khuẩn”, mặc dù nó không có các đặc điểm giống như nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực.

Số lượng DNA

Không phải tất cả các loài sinh vật đều chứa cùng một lượng DNA. Trên thực tế, giá trị này rất thay đổi giữa các loài và không có mối quan hệ nào giữa số lượng DNA và độ phức tạp của sinh vật. Sự mâu thuẫn này được gọi là "nghịch lý giá trị C."

Lập luận hợp lý sẽ là cho rằng sinh vật càng phức tạp thì càng có nhiều DNA. Tuy nhiên, điều này không đúng về bản chất.

Ví dụ, bộ gen của cá phổi Protopterus aethiopicus có kích thước 132 pg (DNA có thể được định lượng bằng picogram = pg) trong khi bộ gen của con người chỉ nặng 3,5 pg.

Cần phải nhớ rằng không phải tất cả DNA của một sinh vật đều mã hóa cho protein, một lượng lớn DNA này liên quan đến các yếu tố điều hòa và các loại RNA khác nhau.

Các dạng cấu trúc của DNA

Mô hình Watson và Crick, được suy ra từ các mẫu nhiễu xạ tia X, được gọi là chuỗi xoắn B-DNA và là mô hình “truyền thống” và nổi tiếng nhất. Tuy nhiên, có hai dạng khác nhau, được gọi là A-DNA và Z-DNA.

DNA - A

Biến thể "A" xoay sang phải, giống như B-DNA, nhưng ngắn hơn và rộng hơn. Dạng này xuất hiện khi độ ẩm tương đối giảm.

A-DNA quay mỗi 11 cặp bazơ, rãnh chính hẹp hơn và sâu hơn so với B-DNA. Đối với rãnh nhỏ, nó là bề ngoài và rộng hơn.

DNA - Z

Biến thể thứ ba là Z-DNA. Đây là dạng hẹp nhất, được hình thành bởi một nhóm hexanucleotide được tổ chức thành một chuỗi kép các chuỗi đối song. Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của hình dạng này là nó quay về bên trái, trong khi hai cách còn lại làm nó ở bên phải.

Z-DNA xuất hiện khi có các chuỗi ngắn pyrimidine và purine xen kẽ với nhau. Sulcus chính bằng phẳng còn âm phụ hẹp và sâu hơn so với B-DNA.

Mặc dù trong điều kiện sinh lý, phân tử DNA chủ yếu ở dạng B, sự tồn tại của hai biến thể được mô tả cho thấy tính linh hoạt và năng động của vật liệu di truyền.

Đặc trưng

Phân tử DNA chứa tất cả thông tin và hướng dẫn cần thiết cho việc xây dựng một sinh vật. Tập hợp đầy đủ thông tin di truyền trong sinh vật được gọi là bộ gen.

Thông điệp được mã hóa bởi "bảng chữ cái sinh học": bốn cơ sở đã đề cập trước đó, A, T, G và C.

Thông điệp có thể dẫn đến sự hình thành nhiều loại protein khác nhau hoặc mã cho một số yếu tố điều tiết. Quá trình mà các cơ sở dữ liệu này có thể gửi một thông điệp được giải thích dưới đây:

Sao chép, phiên mã và dịch thuật

Thông báo được mã hóa bằng bốn chữ cái A, T, G và C sẽ tạo ra một kiểu hình (không phải tất cả các trình tự DNA đều mã cho protein). Để đạt được điều này, DNA phải tự nhân đôi trong mỗi quá trình phân chia tế bào.

Sự sao chép của DNA là bán bảo toàn: một sợi đóng vai trò như khuôn mẫu để hình thành phân tử con mới. Sự sao chép được xúc tác bởi một số enzyme, bao gồm DNA primase, DNA helicase, DNA ligase và topoisomerase.

Sau đó, thông điệp - được viết bằng ngôn ngữ trình tự cơ sở - phải được truyền đến một phân tử trung gian: RNA (axit ribonucleic). Quá trình này được gọi là phiên mã.

Để quá trình phiên mã xảy ra, các enzym khác nhau phải tham gia, bao gồm cả ARN polymerase.

Enzyme này có nhiệm vụ sao chép thông điệp của DNA và chuyển nó thành phân tử RNA thông tin. Nói cách khác, mục tiêu của quá trình phiên mã là thu được sứ giả.

Cuối cùng, quá trình dịch mã thành các phân tử ARN thông tin xảy ra, nhờ vào các ribosome.

Các cấu trúc này lấy RNA thông tin và cùng với bộ máy dịch mã tạo thành protein xác định.

Mã di truyền

Thông báo được đọc theo "bộ ba" hoặc nhóm ba chữ cái chỉ định cho một axit amin - các khối cấu tạo của protein. Có thể giải mã thông điệp của bộ ba vì mã di truyền đã được tiết lộ đầy đủ.

Quá trình dịch mã luôn bắt đầu bằng axit amin methionine, được mã hóa bởi bộ ba khởi đầu: AUG. Chữ "U" đại diện cho uracil cơ sở và là đặc trưng của RNA và thymine bổ sung.

Ví dụ, nếu RNA thông tin có trình tự sau: AUG CCU CUU UUU UUA, nó được dịch mã thành các axit amin sau: methionine, proline, leucine, phenylalanine và phenylalanine. Lưu ý rằng hai bộ ba - trong trường hợp này là UUU và UUA - có thể mã cho cùng một axit amin: phenylalanin.

Do tính chất này, người ta nói rằng mã di truyền là thoái hóa, vì một axit amin được mã hóa bởi nhiều hơn một trình tự bộ ba, ngoại trừ axit amin methionine, là chất quy định việc bắt đầu dịch mã.

Quá trình được dừng với bộ ba dừng hoặc dừng cụ thể: UAA, UAG và UGA. Chúng được biết đến với tên gọi tương ứng là đất son, hổ phách và opal. Khi ribosome phát hiện ra chúng, chúng không thể thêm bất kỳ axit amin nào vào chuỗi nữa.

Tính chất hóa học và vật lý

Axit nucleic có bản chất là axit và hòa tan trong nước (ưa nước). Có thể xảy ra sự hình thành liên kết hydro giữa các nhóm photphat và các nhóm hydroxyl của pentoza với nước. Nó được tích điện âm ở pH sinh lý.

Dung dịch DNA có độ nhớt cao, do khả năng chống biến dạng của chuỗi xoắn kép, rất cứng. Độ nhớt giảm nếu axit nucleic ở dạng mạch đơn.

Chúng là những phân tử có tính ổn định cao. Về mặt logic, đặc điểm này phải không thể thiếu trong các cấu trúc mang thông tin di truyền. So với RNA, DNA ổn định hơn nhiều vì nó thiếu nhóm hydroxyl.

DNA có thể bị biến tính nhiệt, tức là các sợi tách ra khi phân tử tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Nhiệt lượng phải tỏa ra phụ thuộc vào phần trăm G - C của phân tử, vì các bazơ này liên kết với nhau bằng ba liên kết hiđro, làm tăng khả năng phân ly.

Về sự hấp thụ ánh sáng, chúng có cực đại ở 260 nanomet, sẽ tăng lên nếu axit nucleic ở dạng mạch đơn, vì các vòng nucleotide tiếp xúc và chúng chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ.

Sự phát triển

Theo Lazcano và cộng sự. 1988 DNA xuất hiện trong các giai đoạn chuyển tiếp từ RNA, là một trong những sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử sự sống.

Các tác giả đề xuất ba giai đoạn: giai đoạn đầu tiên có các phân tử tương tự như axit nucleic, sau đó các bộ gen được tạo thành từ ARN và là giai đoạn cuối cùng các bộ gen ADN băng kép xuất hiện.

Một số bằng chứng ủng hộ lý thuyết về một thế giới sơ cấp dựa trên RNA. Đầu tiên, sự tổng hợp protein có thể xảy ra khi thiếu DNA, nhưng không xảy ra khi thiếu RNA. Hơn nữa, các phân tử RNA có đặc tính xúc tác đã được phát hiện.

Về quá trình tổng hợp deoxyribonucleotide (có trong DNA), chúng luôn đến từ quá trình khử ribonucleotide (có trong RNA).

Sự đổi mới trong quá trình tiến hóa của một phân tử DNA cần phải có sự hiện diện của các enzyme tổng hợp tiền chất DNA và tham gia vào quá trình phiên mã ngược của RNA.

Bằng cách nghiên cứu các enzym hiện tại, có thể kết luận rằng các protein này đã tiến hóa nhiều lần và quá trình chuyển đổi từ ARN sang ADN phức tạp hơn những gì được tin tưởng trước đây, bao gồm các quá trình chuyển và mất gen cũng như các quá trình thay thế không chính thống.

xét nghiệm DNA

Giải trình tự DNA bao gồm việc làm sáng tỏ trình tự của sợi DNA về bốn cơ sở cấu tạo nên nó.

Kiến thức về trình tự này là vô cùng quan trọng trong khoa học sinh học. Nó có thể được sử dụng để phân biệt giữa hai loài rất giống nhau về mặt hình thái, để phát hiện bệnh tật, bệnh lý hoặc ký sinh trùng và thậm chí có khả năng ứng dụng pháp y.

Giải trình tự Sanger được phát triển vào những năm 1900 và là kỹ thuật truyền thống để làm rõ một trình tự. Mặc dù có tuổi đời nhưng đây là một phương pháp hợp lệ và được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi.

Phương pháp Sanger

Phương pháp này sử dụng DNA polymerase, một loại enzyme có độ tin cậy cao để sao chép DNA trong tế bào, tổng hợp một chuỗi DNA mới bằng cách sử dụng một chuỗi có sẵn làm hướng dẫn. Enzyme cần một mồi để bắt đầu tổng hợp. Đoạn mồi là một phân tử ADN nhỏ bổ sung cho phân tử cần giải trình tự.

Trong phản ứng, các nucleotide được thêm vào sẽ được kết hợp vào sợi DNA mới bởi enzyme.

Ngoài các nucleotide "truyền thống", phương pháp này bao gồm một chuỗi dideoxynucleotide cho mỗi base. Chúng khác với các nucleotide tiêu chuẩn ở hai đặc điểm: về mặt cấu trúc, chúng không cho phép DNA polymerase thêm nhiều nucleotide hơn vào sợi con và chúng có một điểm đánh dấu huỳnh quang khác nhau cho mỗi base.

Kết quả là tạo ra nhiều phân tử DNA có độ dài khác nhau, vì các dideoxynucleotide được kết hợp một cách ngẫu nhiên và làm ngừng quá trình sao chép ở các giai đoạn khác nhau.

Nhiều loại phân tử này có thể được phân tách theo chiều dài của chúng và nhận dạng của các nucleotide được đọc bằng cách phát ra ánh sáng từ nhãn huỳnh quang.

Trình tự thế hệ tiếp theo

Các kỹ thuật giải trình tự được phát triển trong những năm gần đây cho phép phân tích hàng triệu mẫu đồng thời.

Trong số các phương pháp nổi bật nhất là giải trình tự pyrose, giải trình tự bằng tổng hợp, giải trình tự bằng cách thắt và giải trình tự thế hệ tiếp theo bằng Ion Torrent.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (Năm 2002). Sinh học phân tử của tế bào. Phiên bản thứ 4. New York: Khoa học Garland. Cấu trúc và Chức năng của DNA. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (Năm 2002). Sinh học phân tử của tế bào. Phiên bản thứ 4. New York: Khoa học Garland. DNA nhiễm sắc thể và bao bì của nó trong sợi nhiễm sắc thể. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Hóa sinh. Phiên bản thứ 5. New York: WH Freeman. Phần 27.1, DNA có thể tạo ra nhiều dạng cấu trúc khác nhau. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Sơ lược về lịch sử phát hiện ra cấu trúc của DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Nguồn gốc và sự tiến hóa của DNA và máy móc sao chép DNA. Trong: Cơ sở dữ liệu khoa học sinh học Madame Curie. Austin (TX): Khoa học sinh học Landes. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Quá trình chuyển đổi từ RNA sang DNA trong các tế bào sơ khai. Tạp chí tiến hóa phân tử, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Sinh học tế bào phân tử. Phiên bản thứ 4. New York: WH Freeman. Tiết 9.5, Tổ chức ADN của tế bào thành nhiễm sắc thể. Có tại: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Cơ bản của hóa sinh. New York: John Willey và các con trai.