AXIT NUCLEIC: ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC - SINH HỌC

Các axit nucleic là các phân tử sinh học lớn được tạo thành bởi các đơn vị hoặc đơn phân gọi là nucleotide. Họ phụ trách việc lưu trữ và truyền tải thông tin di truyền. Chúng cũng tham gia vào từng bước tổng hợp protein.

Về mặt cấu trúc, mỗi nucleotide được tạo thành từ một nhóm phosphate, một đường năm carbon và một bazơ nitơ dị vòng (A, T, C, G và U). Ở pH sinh lý, axit nucleic mang điện tích âm, tan trong nước, tạo thành dung dịch nhớt và khá bền.

Nguồn: pixabay.com

Có hai loại axit nucleic chính: DNA và RNA. Thành phần của cả hai axit nucleic là tương tự nhau: trong cả hai, chúng tôi tìm thấy một chuỗi các nucleotide được liên kết bởi các liên kết phosphodiester. Tuy nhiên, trong DNA, chúng ta tìm thấy thymine (T) và trong RNA uracil (U).

DNA dài hơn và ở dạng xoắn kép và RNA được tạo thành từ một sợi đơn. Các phân tử này hiện diện trong tất cả các sinh vật sống, từ vi rút đến động vật có vú lớn.

Quan điểm lịch sử

Khám phá axit nucleic

Việc phát hiện ra axit nucleic có từ năm 1869 khi Friedrich Miescher xác định được chất nhiễm sắc. Trong các thí nghiệm của mình, Miescher đã chiết xuất một vật liệu sền sệt từ lõi và phát hiện ra rằng chất này rất giàu phốt pho.

Ban đầu, vật chất có tính chất bí ẩn được gọi là "nuclein". Các thí nghiệm sau đó về nuclein đã kết luận rằng nó không chỉ giàu phốt pho mà còn chứa nhiều carbohydrate và bazơ hữu cơ.

Phoebus Levene phát hiện ra rằng nuclein là một polyme mạch thẳng. Mặc dù các tính chất hóa học cơ bản của axit nucleic đã được biết đến, nhưng người ta không cho rằng có mối quan hệ giữa polyme này và vật liệu di truyền của sinh vật.

Khám phá chức năng của DNA

Vào giữa những năm 1940, điều không thuyết phục đối với các nhà sinh học vào thời điểm đó là phân tử chịu trách nhiệm truyền và lưu trữ thông tin của một sinh vật nằm trong một phân tử có cấu trúc đơn giản như DNA - bao gồm bốn đơn phân rất giống nhau (nucleotide) mỗi.

Protein, polyme được tạo thành từ 20 loại axit amin, vào thời điểm đó dường như là ứng cử viên hợp lý nhất để trở thành phân tử di truyền.

Quan điểm này đã thay đổi vào năm 1928, khi nhà nghiên cứu Fred Griffith nghi ngờ rằng nuclein có liên quan đến di truyền. Cuối cùng, vào năm 1944, Oswald Avery đã kết luận được với bằng chứng chắc chắn rằng DNA chứa thông tin di truyền.

Do đó, DNA đã từ một phân tử nhàm chán và đơn điệu, chỉ được tạo thành từ bốn khối xây dựng, trở thành một phân tử cho phép lưu trữ vô số thông tin và có thể bảo quản và truyền tải thông tin một cách chính xác, chính xác và hiệu quả.

Khám phá cấu trúc của DNA

Năm 1953 là năm mang tính cách mạng đối với khoa học sinh học, khi các nhà nghiên cứu James Watson và Francis Crick làm sáng tỏ cấu trúc chính xác của DNA.

Dựa trên các phân tích về các kiểu phản xạ tia X, kết quả của Watson và Crick cho rằng phân tử là một chuỗi xoắn kép, nơi các nhóm photphat tạo thành xương sống bên ngoài và các cơ sở chiếu vào bên trong.

Tương tự của một cái thang thường được sử dụng, trong đó các tay vịn tương ứng với các nhóm phốt phát và các bậc thang cho các chân đế.

Khám phá trình tự DNA

Trong hai thập kỷ qua, những tiến bộ phi thường trong sinh học đã xảy ra, dẫn đầu là giải trình tự DNA. Nhờ tiến bộ công nghệ, ngày nay chúng ta có công nghệ cần thiết để biết trình tự DNA với độ chính xác khá cao - theo "trình tự", chúng ta có nghĩa là thứ tự của các base.

Ban đầu, việc làm sáng tỏ trình tự là một sự kiện tốn kém và mất nhiều thời gian để hoàn thành. Hiện tại, việc biết trình tự của toàn bộ bộ gen không phải là vấn đề.

nét đặc trưng

Phí và độ hòa tan

Như tên gọi của nó, bản chất của axit nucleic là axit và chúng là những phân tử có khả năng hòa tan cao trong nước; tức là chúng ưa nước. Ở pH sinh lý, phân tử mang điện tích âm, do sự hiện diện của các nhóm photphat.

Do đó, các protein liên kết với DNA có nhiều gốc axit amin mang điện tích dương. Sự liên kết chính xác của DNA rất quan trọng đối với quá trình đóng gói của nó trong tế bào.

Độ nhớt

Độ nhớt của axit nucleic phụ thuộc vào việc nó là băng kép hay băng đơn. DNA băng kép tạo thành các dung dịch có độ nhớt cao, vì cấu trúc của nó cứng, chống lại sự biến dạng. Hơn nữa, chúng là những phân tử cực kỳ dài so với đường kính của chúng.

Ngược lại, cũng có những dung dịch axit nucleic một dải, được đặc trưng bởi độ nhớt thấp.

Ổn định

Một đặc tính khác của axit nucleic là tính ổn định của chúng. Đương nhiên, một phân tử có nhiệm vụ tất yếu như lưu trữ tính kế thừa phải rất ổn định.

So sánh, DNA ổn định hơn RNA, vì nó thiếu nhóm hydroxyl.

Có thể đặc tính hóa học này đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của axit nucleic và trong việc lựa chọn DNA làm vật liệu di truyền.

Theo giả thuyết chuyển đoạn được đề xuất bởi một số tác giả, RNA đã được thay thế bằng DNA trong quá trình tiến hóa. Tuy nhiên, ngày nay có một số virus sử dụng RNA làm vật liệu di truyền.

Hấp thụ tia cực tím

Sự hấp thụ của các axit nucleic cũng phụ thuộc vào việc nó là băng kép hay băng đơn. Đỉnh hấp thụ của các vòng trong cấu trúc của chúng là 260 nanomet (nm).

Khi sợi DNA dải kép bắt đầu tách ra, sự hấp thụ ở bước sóng nói trên tăng lên, do các vòng tạo nên nucleotide lộ ra.

Thông số này rất quan trọng đối với các nhà sinh học phân tử trong phòng thí nghiệm, vì bằng cách đo lượng hấp thụ, họ có thể ước tính lượng DNA tồn tại trong mẫu của họ. Nói chung, kiến thức về các đặc tính của DNA góp phần vào việc tinh chế và xử lý nó trong các phòng thí nghiệm.

Phân loại (các loại)

Hai axit nucleic chính là DNA và RNA. Cả hai đều là thành phần của mọi sinh vật. DNA là viết tắt của deoxyribonucleic acid và RNA là ribonucleic acid. Cả hai phân tử đều đóng vai trò cơ bản trong di truyền và tổng hợp protein.

DNA là phân tử lưu trữ tất cả thông tin cần thiết cho sự phát triển của sinh vật, và được nhóm lại thành các đơn vị chức năng gọi là gen. RNA chịu trách nhiệm lấy thông tin này và cùng với phức hợp protein, dịch thông tin từ chuỗi nucleotide thành chuỗi axit amin.

Sợi RNA có thể dài vài trăm hoặc vài nghìn nucleotide, trong khi sợi DNA vượt quá hàng triệu nucleotide và có thể được nhìn thấy dưới ánh sáng của kính hiển vi quang học nếu chúng được nhuộm bằng thuốc nhuộm.

Sự khác biệt cơ bản về cấu trúc giữa cả hai phân tử sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.

RNA

Trong tế bào, có nhiều loại RNA khác nhau cùng hoạt động để điều phối quá trình tổng hợp protein. Ba loại RNA chính là thông tin, ribosome và chuyển giao.

Sứ giả RNA

Messenger RNA chịu trách nhiệm sao chép thông điệp tồn tại trong DNA và vận chuyển nó đến quá trình tổng hợp protein diễn ra trong các cấu trúc gọi là ribosome.

RNA ribosome hoặc ribosome

RNA ribosome được tìm thấy như một phần của bộ máy thiết yếu này: ribosome. Trong số ribosome, 60% được tạo thành từ RNA ribosome và phần còn lại được chiếm bởi gần 80 loại protein khác nhau.

Chuyển RNA

RNA vận chuyển là một loại tiếp hợp phân tử vận chuyển các axit amin (các khối cấu tạo của protein) đến ribosome, để được kết hợp.

RNA nhỏ

Ngoài ba loại cơ bản này, có một số ARN bổ sung gần đây đã được phát hiện có vai trò thiết yếu trong tổng hợp protein và biểu hiện gen.

RNA hạt nhân nhỏ, viết tắt là snRNA, tham gia như các thực thể xúc tác trong quá trình nối (quá trình loại bỏ các intron) của RNA thông tin.

RNA nucleolar nhỏ hoặc snoRNA tham gia vào quá trình xử lý các bản sao RNA tiền ribosome sẽ tạo thành một phần của tiểu đơn vị ribosome. Điều này xảy ra trong nucleolus.

RNA can thiệp ngắn và microRNA là những chuỗi RNA nhỏ có vai trò chính là điều chế sự biểu hiện gen. Các microRNA được mã hóa từ DNA, nhưng quá trình dịch mã của chúng thành protein không tiếp tục. Chúng có dạng sợi đơn và có thể bổ sung cho RNA thông báo, ức chế quá trình dịch mã của nó thành protein.

Cấu trúc và thành phần hóa học

Axit nucleic là chuỗi polyme dài được tạo thành từ các đơn vị đơn phân gọi là nucleotit. Mỗi cái được tạo thành từ:

Một nhóm phốt phát

Có 4 loại nucleotide và chúng có cấu trúc chung: nhóm phosphate liên kết với pentose thông qua liên kết phosphodiester. Sự hiện diện của phốt phát tạo cho phân tử một đặc tính axit. Nhóm photphat bị phân ly ở pH của tế bào nên mang điện tích âm.

Điện tích âm này cho phép liên kết giữa các axit nucleic với các phân tử có điện tích dương.

Một lượng nhỏ nucleoside có thể được tìm thấy bên trong tế bào và cả trong chất lỏng ngoại bào. Đây là những phân tử được tạo thành từ tất cả các thành phần của nucleotide, nhưng thiếu nhóm phosphate.

Theo danh pháp này, nucleotide là một nucleoside có một, hai hoặc ba nhóm phosphate được ester hóa tại hydroxyl nằm ở carbon 5 '. Các nucleosit có ba phốt phát tham gia vào quá trình tổng hợp axit nucleic, mặc dù chúng cũng thực hiện các chức năng khác trong tế bào.

Một pentose

Pentose là một carbohydrate đơn phân được tạo thành từ năm nguyên tử carbon. Trong DNA, pentose là một deoxyribose, được đặc trưng bởi sự mất một nhóm hydroxyl ở carbon 2 '. Trong RNA, pentose là một ribose.

Một cơ sở nitơ

Các pentose lần lượt được liên kết với một bazơ hữu cơ. Sự đồng nhất của nucleotide được cung cấp bởi sự đồng nhất của base. Có năm loại, được viết tắt bằng tên viết tắt của chúng: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T), và uracil (U).

Thông thường trong các tài liệu, chúng ta thấy rằng năm chữ cái này được sử dụng để chỉ toàn bộ nucleotide. Tuy nhiên, nói một cách chính xác, đây chỉ là một phần của nucleotide.

Ba đầu tiên, A, G và C, là chung cho cả DNA và RNA. Trong khi đó T là duy nhất đối với DNA và uracil chỉ có trong phân tử RNA.

Về mặt cấu tạo, bazơ là các hợp chất hóa học dị vòng, các vòng của chúng được tạo thành từ các phân tử cacbon và nitơ. A và G được tạo thành bởi một cặp vòng hợp nhất và thuộc nhóm purin. Các bazơ còn lại thuộc về pyrimidine và cấu trúc của chúng được tạo thành từ một vòng duy nhất.

Thông thường, trong cả hai loại axit nucleic, chúng ta tìm thấy một loạt các bazơ biến đổi, chẳng hạn như một nhóm metyl bổ sung.

Khi sự kiện này xảy ra, chúng ta nói rằng bazơ bị metyl hóa. Ở sinh vật nhân sơ, các adenin đã được metyl hóa thường được tìm thấy, và ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, các tế bào có thể có thêm một nhóm metyl.

Quá trình trùng hợp xảy ra như thế nào?

Như chúng ta đã đề cập, axit nucleic là chuỗi dài được tạo thành từ các đơn phân - nucleotide. Để tạo thành các chuỗi, chúng được liên kết theo một cách cụ thể.

Khi các nucleotide trùng hợp, nhóm hydroxyl (-OH) được tìm thấy trên carbon 3 'của đường của một trong các nucleotide tạo thành liên kết este với nhóm photphat từ một phân tử nucleotide khác. Trong quá trình hình thành liên kết này, việc loại bỏ một phân tử nước xảy ra.

Loại phản ứng này được gọi là "phản ứng ngưng tụ", và nó rất giống với phản ứng xảy ra khi các liên kết peptit trong protein hình thành giữa hai gốc axit amin. Các liên kết giữa mỗi cặp nucleotide được gọi là liên kết phosphodiester.

Giống như trong polypeptit, chuỗi axit nucleic có hai định hướng hóa học ở đầu của chúng: một là đầu 5 'chứa nhóm hydroxyl tự do hoặc nhóm photphat trên cacbon 5' của đường cuối, còn ở đầu 3. ´ chúng tôi tìm thấy một nhóm hydroxyl tự do của carbon 3´.

Hãy tưởng tượng rằng mỗi khối DNA là một bộ Lego, với một đầu được chèn vào và có một lỗ trống để việc chèn khối khác có thể xảy ra. Đầu 5 'với phốt phát sẽ là đầu được đưa vào và đầu 3' tương tự như lỗ trống.

Các nucleotide khác

Trong tế bào, chúng ta tìm thấy một loại nucleotit khác có cấu trúc khác với loại nêu trên. Mặc dù chúng không phải là một phần của axit nucleic, nhưng chúng đóng vai trò sinh học rất quan trọng.

Trong số những loại có liên quan nhất, chúng tôi có riboflavin mononucleotide, được gọi là FMN, coenzyme A, adenine dinucleotide và nicotinamine, trong số những loại khác.

Cấu trúc RNA

Cấu trúc tuyến tính của polyme axit nucleic tương ứng với cấu trúc chính của các phân tử này. Các polynucleotide cũng có khả năng hình thành các mảng ba chiều được ổn định bởi các lực không cộng hóa trị - tương tự như sự gấp nếp được tìm thấy trong protein.

Mặc dù thành phần cơ bản của DNA và RNA khá giống nhau (ngoại trừ những điểm khác biệt đã nêu ở trên), cấu trúc của chúng có sự khác biệt rõ rệt. RNA thường được tìm thấy dưới dạng một chuỗi nucleotide đơn, mặc dù nó có thể đảm nhận các cách sắp xếp khác nhau.

Ví dụ, RNA vận chuyển là các phân tử nhỏ được tạo thành từ ít hơn 100 nucleotide. Cấu trúc thứ cấp điển hình của nó là ở dạng cỏ ba lá với ba cánh tay. Tức là, phân tử RNA tìm thấy các base bổ sung bên trong và có thể tự gấp lại.

RNA ribosome là những phân tử lớn hơn đảm nhận cấu trúc ba chiều phức tạp và thể hiện cấu trúc bậc hai và bậc ba.

Cấu trúc DNA

Xoắn kép

Không giống như RNA tuyến tính, sự sắp xếp DNA bao gồm hai sợi đan xen nhau. Sự khác biệt về cấu trúc này là rất quan trọng để thực hiện các chức năng cụ thể của nó. RNA không có khả năng hình thành loại xoắn này do sự cản trở của steric do nhóm OH bổ sung mà đường của nó tạo ra.

Tính bổ sung cơ bản

Có sự bổ sung giữa các bazơ. Có nghĩa là, do kích thước, hình dạng và thành phần hóa học của chúng, purin phải kết hợp với pyrimidine thông qua liên kết hydro. Vì lý do này, trong DNA tự nhiên, chúng ta thấy rằng A hầu như luôn luôn bắt cặp với T và G với C, tạo thành liên kết hydro với các đối tác của chúng.

Các cặp bazơ giữa G và C được liên kết với nhau bằng 3 liên kết hydro, trong khi cặp A và T yếu hơn và chỉ có 2 liên kết hydro giữ chúng với nhau.

Các sợi DNA có thể được tách ra (điều này xảy ra cả trong tế bào và trong các quy trình trong phòng thí nghiệm) và nhiệt lượng cần thiết phụ thuộc vào lượng GC trong phân tử: nó càng lớn thì càng cần nhiều năng lượng để tách nó.

Định hướng sợi

Một đặc điểm khác của DNA là hướng ngược lại của nó: trong khi một sợi chạy theo hướng 5'-3 ', thì đối tác của nó chạy theo hướng 3'-5'.

Các quy định tự nhiên và trong phòng thí nghiệm

Cấu trúc hoặc cấu trúc mà chúng ta thường tìm thấy trong tự nhiên được gọi là DNA B. Đặc điểm của cấu trúc này là có 10,4 nucleotide cho mỗi lượt, cách nhau 3,4 khoảng cách. ADN B quay sang phải.

Kiểu uốn lượn này dẫn đến sự xuất hiện của hai rãnh, một lớn hơn và một nhỏ hơn.

Trong các axit nucleic được hình thành trong phòng thí nghiệm (tổng hợp) có thể tìm thấy các dạng khác cũng xuất hiện trong các điều kiện rất cụ thể. Đây là DNA A và DNA Z.

Biến thể A cũng thực hiện rẽ sang phải, mặc dù nó ngắn hơn và hơi rộng hơn biến thể tự nhiên. Phân tử có hình dạng này khi độ ẩm giảm. Nó quay mỗi 11 cặp cơ sở.

Biến thể cuối cùng là chữ Z, có đặc điểm là hẹp và quay sang trái. Nó được hình thành bởi một nhóm hexanucleotide được nhóm lại thành một chuỗi kép của chuỗi phản song song.

Đặc trưng

DNA: phân tử di truyền

DNA là một phân tử có thể lưu trữ thông tin. Sự sống như chúng ta biết trên hành tinh của chúng ta phụ thuộc vào khả năng lưu trữ và dịch những thông tin đó.

Đối với tế bào, DNA là một loại thư viện, nơi tìm thấy tất cả các chỉ dẫn cần thiết cho việc sản xuất, phát triển và duy trì một cơ thể sống.

Trong phân tử DNA, chúng ta tìm thấy một tổ chức gồm các thực thể chức năng rời rạc gọi là gen. Một số trong số chúng sẽ được vận chuyển đến protein, trong khi số khác sẽ thực hiện các chức năng điều tiết.

Cấu trúc của DNA mà chúng ta mô tả trong phần trước là chìa khóa để thực hiện các chức năng của nó. Chuỗi xoắn phải có thể tách rời và nối dễ dàng - một đặc tính quan trọng cho các sự kiện sao chép và phiên mã.

DNA được tìm thấy ở sinh vật nhân sơ tại một vị trí cụ thể trong tế bào chất của chúng, trong khi ở sinh vật nhân thực, nó nằm trong nhân.

RNA: một phân tử đa chức năng

Vai trò tổng hợp protein

RNA là một axit nucleic mà chúng ta tìm thấy trong các giai đoạn khác nhau của quá trình tổng hợp protein và trong quá trình điều hòa biểu hiện gen.

Quá trình tổng hợp protein bắt đầu bằng việc phiên mã thông điệp mã hóa trong DNA thành một phân tử RNA thông tin. Tiếp theo, người đưa tin phải loại bỏ những phần sẽ không được dịch, được biết đến với tên gọi của phần giới thiệu.

Đối với quá trình dịch mã RNA thành các gốc axit amin, cần có hai thành phần bổ sung: RNA ribosome là một phần của ribosome và RNA vận chuyển, sẽ mang các axit amin và sẽ chịu trách nhiệm chèn đúng axit amin trong chuỗi peptit. Trong đào tạo.

Nói cách khác, mỗi loại RNA chính đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này. Sự di chuyển này từ DNA đến RNA thông tin và cuối cùng là protein được các nhà sinh học gọi là "tín điều trung tâm của sinh học."

Tuy nhiên, vì khoa học không thể dựa trên các giáo điều, nên có nhiều trường hợp khác nhau mà tiền đề này không được đáp ứng, chẳng hạn như retrovirus.

Vai trò trong quy định

Các RNA nhỏ nói trên tham gia gián tiếp vào quá trình tổng hợp, điều phối quá trình tổng hợp RNA thông tin và tham gia điều hòa sự biểu hiện.

Ví dụ, trong tế bào có các RNA thông tin khác nhau được điều chỉnh bởi các RNA nhỏ, có một trình tự bổ sung cho điều này. Nếu RNA nhỏ gắn vào thông điệp, nó có thể phân cắt chất truyền tin, do đó ngăn cản quá trình dịch mã. Có nhiều quy trình được điều chỉnh theo cách này.

Người giới thiệu

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Sinh học tế bào cần thiết. Khoa học Garland.
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Hóa sinh. Phiên bản thứ 5. WH Freeman.
Cooper, GM và Hausman, RE (2000). Tế bào: Cách tiếp cận phân tử. Sinauer Associates.
Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Lời mời đến sinh học. Macmillan.
Fierro, A. (2001). Sơ lược về lịch sử phát hiện ra cấu trúc của DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
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.
Karp, G. (2009). Sinh học tế bào và phân tử: khái niệm và thí nghiệm. John Wiley và các con trai.
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.
Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Sinh học phân tử tế bào. Macmillan.
Voet, D., & Voet, JG (2006). Hóa sinh. Panamerican Medical Ed.
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Cơ bản của hóa sinh. New York: John Willey và các con trai.

AXIT NUCLEIC: ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC - SINH HỌC - 2026