Các chuoêi polydeoxyribonucleotide cụa ADN được câu táo từ 4 lối nucleotide là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP. Ngoài ra, đođi khi người ta còn tìm thây moơt lượng nhỏ các dăn xuât methyl-hóa cụa các nucleotide này, ví dú 6-methytladenine, 5-
methylcyto-sine v.v... được tìm thây trong nhieău lối ADN cụa vi khuaơn, đoơng vaơt và thực vaơt. Thành phaăn và traơt tự saĩp xêp cụa nucleotide trong các chuoêi polydeoxyribonucleotide, tức câu trúc baơc 1 cụa ADN vođ cùng đa dáng. Sự đa dáng này chính là cơ sở cụa tính đa dáng cụa thê giới sinh vaơt, bởi vì, như ta sẽ thây sau này, nó là cơ sở cụa quá trình tiên hóa và lieđn quan maơt thiêt với tính di truyeăn.
Đeơ hieơu rõ chức naíng sinh hĩc cụa ADN, beđn cánh nhu caău xác định câu trúc baơc 1 còn caăn phại hieơu rõ câu trúc khođng gian cụa chúng. Mođ hình câu trúc khođng gian cụa phađn tử ADN được xađy dựng tređn cơ sở hàng lốt nghieđn cứu trong lĩnh vực sinh hĩc phađn tử, trong đó quan trĩng nhât là các cođng trình cụa Chargaff và cụa Franklin và Wilkins.
Sau nhieău naím nghieđn cứu (1949-1953), Chargaff và những người coơng tác cụa ođng đã neđu leđn những kêt luaơn quan trĩng veă đaịc đieơm hóa hĩc cụa ADN trong tê bào. Những kêt luaơn này ngày nay được mĩi người cođng nhaơn và gĩi là các quy luaơt Chargaff. Đó là:
1/ Các chê phaơm ADN tách từ các mođ khác nhau cụa cùng moơt cơ theơ có thành phaăn nucleotide như nhau;
2/ Thành phaăn nucleotide cụa ADN trong cơ theơ thuoơc các loài khác nhau là khođng giông nhau;
3/ Thành phaăn nucleotide cụa ADN trong cơ theơ thuoơc moơt loài nào đó khođng phú thuoơc vào tuoơi, đieău kieơn dinh dưỡng và đieău kieơn mođi trường;
4/ Haău như trong tât cạ các chê phaơm ADN đã nghieđn cứu sô gôc adenine baỉng sô gôc thymine (A = T), còn sô gôc guanine baỉng sô gôc cytosine (G = C). Đieău đó dăn đên sô gôc purine baỉng sô gôc pyrimidine (A+G = C+T);
5/ ADN cụa các loài vôn có quan heơ veă maịt heơ thông hĩc càng gaăn nhau thì có thành phaăn nucleotide càng giông nhau; còn các loài cách xa nhau trong quá trình tiên hóa thì khác nhau khá rõ veă thành phaăn nucleotide. Có nghĩa là thành phaăn nucleotide cụa ADN có theơ được sử dúng như moơt trong những cơ sở cụa phađn lối hĩc.
Các nhà khoa hĩc này cũng phát hieơn được raỉng ở đoơng vaơt và thực vaơt, tức những cơ theơ baơc cao chư có ADN thuoơc kieơu AT, tức A+T > G+C, trong khi đó ADN ở vi khuaơn goăm cạ hai kieơu AT và GC.
Hàm lượng như nhau (tính theo mol) cụa moơt sô base trong ADN cho phép giạ định raỉng nét câu trúc đaịc trưng cụa ADN là sự toăn tái những môi quan heơ hoàn toàn xác định giữa sô lượng các base khác nhau.
Song song với phát hieơn cụa Chargaff, kêt quạ phađn tích câu trúc baỉng tia Rơn- ghen do Franklin và Wilkins thực hieơn trong những naím 1950-1953 với những chê
phaơm ADN tinh khiêt cho thây ADN có theơ toăn tái ở hai dáng A và B với mức đoơ hydrat hóa khác nhau.
Tređn cơ sở các kêt quạ nghieđn cứu cụa Chargaff cũng như cụa Franklin và Wilkins naím 1953 Watson và Crick đã đeă xuât moơt mođ hình câu trúc khođng gian cụa phađn tử ADN. Theo mođ hình này dáng câu trúc B cụa phađn tử ADN được câu táo bởi hai chuoêi polydeoxy-ribonucleotide xoaĩn phại, song song và ngược chieău nhau, naỉm sóng đođi xung quanh moơt trúc chung, táo thành moơt sợi xoaĩn kép. Các nguyeđn tử phosphore naỉm cách trúc 1,0nm. Tređn moêi chuoêi các base maỉm cách nhau 0,34nm. Theo tính toán ban đaău moơt vòng xoaĩn trĩn vén chứa 10 caịp base và có chieău dài chiêu leđn trúc baỉng 3,4nm. Tuy
nhieđn các phép đo sau đó cho thây moơt vòng xoaĩn hoàn chưnh chứa 10,5 caịp base và do đó có chieău dài chiêu leđn trúc baỉng 3,6nm. (hình IV.8). Dáng B được xem là dáng oơn định nhât trong đieău kieơn sinh lý. Nó đaịc trưng cho tráng thái có mức đoơ hydrate hóa cao.
Nêu giạm mức đoơ hydrate hóa hoaịc naỉm trong các mođi trường tương đôi có tính kỵ nước, ADN sẽ chuyeơn sang dáng câu trúc A, trong đó các base cách nhau 0,23nm và moêi vòng xoaĩn chứa 11 caịp base. Trúc trung tađm cụa phađn tử ADN xoaĩn kép khođng còn thẳng góc với các maịt phẳng cụa các caịp base mà táo ra với chúng moơt góc ≈ 20o, đoăng thời cũng khođng xuyeđn qua các maịt phẳng này mà mà naỉm leơch sang phía này hoaịc phía khác. Đaịc đieơm câu trúc này làm cho dáng A ngaĩn hơn và có đường kính lớn hơn dáng B.
Các hóa chât dùng đeơ kêt tinh ADN thường làm cho nó bị dehydrate hóa, làm cho ADN có xu hướng kêt tinh ở dáng câu trúc A.
Phađn tử ADN xoaĩn kép thaơm chí có theơ toăn tái ở dáng quay trái (dáng Z).
Ở dáng này các caịp base cách nhau 0,38nm và 12 caịp base táo neđn moơt vòng xoaĩn hoàn chưnh. Boơ khung cụa phađn tử có dáng zig-zak. Moơt sô traơt tự nucleotide deê táo ra dáng câu trúc Z hơn là những traơt tự khác. Người ta chưa biêt rõ vai trò sinh hĩc cụa dáng câu trúc này, chư biêt raỉng câu trúc Z được hình thành khi các base cytosine được methyl hóa. Methyl hóa là hieơn tượng sinh hĩc rât phoơ biên đôi với ADN, Đôi với eukaryote nó có vai trò quan trĩng trong vieơc đieău hòa hốt tính cụa gen. Trong tê bào eukaryote có theơ đađy là moơt cơ chê kieơm tra hốt đoơng cụa gene hoaịc tham gia trong quá trình cại biên gene (genetic recombination).
Hình IV.8. Sơ đoă mođ tạ sự khác nhau giữa các dáng câu trúc A, B và Z cụa phađn tử ADN xoaĩn kép
HÌNH IV.9. LIEĐN KÊT HYDRO GIỮA CÁC CAỊP BASE BOƠ SUNG A T VÀ G C
Chuoêi xoaĩn kép được hình thành nhờ tính chât boơ sung giữa các base A với T và G với C. Trong toàn boơ phađn tử moêi base nitơ cụa choêi này nođùi với base boơ sung ở
Do tính chât boơ sung này giữa các base nitơ mà trong phađn tử ADN xoaĩn kép sợi đơn này có câu trúc hoàn toàn boơ sung với sợi đơn kia.
Trong mách xoaĩn kép cụa ADN các base nitơ do có tính kỵ nước neđn naỉm beđn trong và khođng tiêp xúc với nước, còn các nhóm phosphate cũng như các gôc pentose naỉm ở maịt ngoài và tiêp xúc trực tiêp với nước. Như vaơy, câu trúc xoaĩn kép cụa ADN được oơn định khođng những nhờ lieđn kêt hydro giữa các base boơ sung mà còn nhờ lieđn kêt kỵ nước giữa các base nitơ với nhau dĩc theo toàn boơ chieău dài phađn tử (tương tác Steking).
Mođ hình cụa Watson và Crick cho phép giại thích cơ chê tái táo thođng tin di truyeăn moơt cách chính xác. Nhờ tính chât boơ sung cụa hai mách đơn mà traơt tự nucleotide cụa mách này xác định traơt tự nucleotide cụa mách kia. Song song với vieơc neđu leđn mođ hình này các tác giạ còn giạ thuyêt raỉng phađn tử ADN được nhađn đođi baỉng cách hai mách đơn cụa phađn tử xoaĩn kép tách ra và moêi mách làm khuođn đeơ đúc neđn mách mới boơ sung với nó. Kêt quạ là hình thành hai phađn tử ADN giông heơt nhau, trong moêi phađn tử chứa moơt mách mé và moơt mách con. Cơ chê nhađn đoơi này cụa ADN được gĩi là cơ chê bán bạo thụ.
Beđn cánh câu trúc sợi xoaĩn kép mođ tạ tređn đađy, ở moơt sô loài sinh vaơt đaịc bieơt còn có các dáng câu trúc khác cụa ADN. Ví dú, ở E. coli và nhieău vi khuaơn khác có dáng câu trúc xoaĩn kép mách vòng do hai đaău cụa moêi mách đơn nôi với nhau baỉng lieđn kêt phosphodiester. Dáng câu trúc này cũng được ghi nhaơn trong ti theơ, lúc láp cụa tê bào eukaryote và nhieău lối virus, ví dú bacteriophag λ; trong khi đó ở bacteriophag φX 170 ADN lái có dáng câu trúc vòng sợi đơn.
Tât cạ các phađn tử ADN trong phaăn lớn thời gian toăn tái trong tê bào ở tráng thái sieđu xoaĩn do tác dúng cụa các enzyme đaịc bieơt. Trong khi đó moơt sô enzyme khác lái làm giạm mức đoơ sieđu xoaĩn, táo đieău kieơn đeơ phađn tử ADN nhađn đođi hoaịc sao chép mã di truyeăn sang các phađn tử ARN. Naíng lượng tích lũy trong tráng thái sieđu xoaĩn cụa phađn tử ADN khi caăn thiêt sẽ được sử dúng cho quá trình tháo xoaĩn cúc boơ đeơ phađn tử ADN thực hieơn chức naíng cụa mình.
Phađn tử ADN xoaĩn kép dưới tác dúng cụa nhieơt đoơ cao, cụa pH thái cực cụa mođi trường, cụa haỉng sô đieơn mođi thâp và cụa các yêu tô phá vỡ lieđn kêt hydro khác như urea, amide cụa các acid carboxylic... có theơ tách rời thành hai sợi đơn rieđng bieơt với kêt câu hoên đoơn. Hieơn tượng này được gĩi là sự biên tính cụa ADN. Nêu daăn daăn lối trừ tác nhađn gađy biên tính trong khi phađn tử ADN chưa biên tính hoàn toàn (moơt phaăn phađn tử văn còn toăn tái ở tráng thái xoaĩn kép), câu trúc xoaĩn kép nguyeđn thụy cùng với đaăy đụ các tính chât hóa hĩc và sinh hĩc cụa nó có theơ được khođi phúc hoàn toàn. Trong trường hợp này ta có biên tính thuaơn nghịch. Nêu phađn tử ADN đã bị biên tính hoàn toàn và lối trừ tác nhađn gađy biên tính moơt cách đoơt ngoơt, câu trúc xoaĩn kép nguyeđn thụy cụa nó sẽ khođng khođi phúc được nữa, tức phađn tử ADN đã bị biên tính khođng thuaơn nghịch.
Sự biên tính cụa ADN kèm theo những thay đoơi đáng keơ các tính chât vaơt lý cụa nó, đaịc bieơt, đoơ hâp thú tia tử ngối (λ = 260nm) taíng leđn. Hieơn tượng này được gĩi là
hieơu ứng ưu saĩc. Nguyeđn nhađn cụa nó là do tính nhược saĩc cụa ADN xoaĩn kép, tức đoơ hâp thú tia tử ngối cụa ADN nguyeđn thụy (xoaĩn kép) nhỏ hơn toơng đoơ hâp thú cụa các base purine và pyrimidine khi chúng toăn tái ở tráng thái tự do. Khi bị biên tính, đoơ hâp thú tia tử ngối cụa ADN sợi đơn taíng leđn 20 – 60%, vì mức hâp thú cụa chúng baỉng toơng đoơ hâp thú cụa sô lượng tương ứng các base nitơ tự do. Hieơu ứng ưu saĩc cụa ADN xoaĩn kép lieđn quan trực tiêp đên caíp base A-T. Hàm lượng caịp base này trong ADN càng cao, hieơu ứng ưu saĩc càng lớn. Như vaơy, tređn nguyeđn taĩc, có theơ xác định thành phaăn nucleotide cụa ADN baỉng cách xác định hieơu ứng ưu saĩc cụa nó khi bị biên tính.
Khác với protein, ADN bị biên tính trong moơt phám vi nhieơt đoơ rât hép. Sự biên đoơi đoơt ngoơt này tương tự như sự nóng chạy cụa các tinh theơ hữu cơ. Vì vaơy sự biên tính vì nhieơt cụa ADN thường được gĩi là sự nóng chạy.
Hieơn tượng biên tính thuaơn nghịch cụa ADN được các nhà khoa hĩc rât chú ý, bởi vì khođng lối trừ khạ naíng hieơn tượng này đóng vai trò nhât định trong các quá trình nhađn đođi ADN và sinh toơng hợp ARN.
Trong quá trình chiêt rút và tinh chê phađn tử ADN rât deê bị đứt, vì vaơy vieơc thu nhaơn ADN ở dáng nguyeđn thụy và xác định trĩng lượng phađn tử cụa nó gaịp rât nhieău khó khaín. Tuy nhieđn, ngày nay cođng vieơc này đã và đang thu nhaơn được những thành tựu đáng keơ. Ví dú, người ta đã xác định được phađn tử ADN duy nhât cụa E. coli dài 1200 µm, chứa 4,2 trieơu caịp nucleotide và có trĩng lượng phađn tử 2800 trieơu. Sợi ADN này có câu trúc vòng, táo neđn nhieêm saĩc theơ duy nhât cụa tê bào vi khuaơn.
Nhieêm saĩc theơ cụa nhađn tê bào eukaryote được câu táo bởi moơt sô sợi ADN khoơng loă, trong nhieău trường hợp có theơ dài đên 2 mét với khoạng 5,5 tư caịp nucleotide do phại chứa moơt lượng thođng tin rât lớn. Moơt trong những thành tựu vođ cùng vĩ đái cụa hóa sinh hĩc và sinh hĩc phađn tử cụa thê kỷ 20 là đã xác định được câu trúc baơc I cụa haău hêt ADN trong cơ theơ con người.
Nhieêm saĩc theơ tê bào eukaryote được câu táo từ moơt lối nucleoprotein có teđn là
chromatine. Thành phaăn chụ yêu cụa chromatine bao goăm ADN, histone và moơt sô protein khođng phại histone. Histon là moơt nhóm protein có tính base do chứa nhieău các aminoacid có tính base là lysine và arginine. Dựa tređn tư leơ giữa Lys và Arg người ta chia histone thành 5 nhóm. Giàu lysine nhât là histone H1, giàu arginine nhât là histone H4; histone thuoơc các nhóm H2A, H2B và H3 laăn lượt chiêm các vị trí trung gian với tư leơ Lys/Arg giạm daăn.Thành phaăn protein khođng phại histone khá đa dáng veă tính chât và chức naíng.
Chromatine có câu trúc rât đa dáng. Nó bao goăm các câu trúc hát gĩi là
histone H1. Hát nucleosome được hình thành từ đốn ADN dài khoạng 140-150 caịp nucleotide bao bĩc xung quanh phaăn lõi với 4 lối histone nhóm H2A, H2B, H3 và H4, moêi lối 2 phađn tử (hình IV.10).
Hình IV.10. Câu táo cụa nucleosome
Ngày nay người ta đã xác định được raỉng thođng tin di truyeăn được mã hóa trong các boơ ba nucleotide cụa ADN. Những boơ ba này được gĩi là boơ ba maơt mã hay codon, làm nhieơm vú đieău khieơn traơt tự aminoacid trong quá trình sinh toơng hợp protein. Vì moêi codon goăm ba trong bôn lối nucleotide neđn toơng sô codon baỉng 43 = 64. Ngày nay ý nghĩa cụa tât cạ 64 codon này đã được xác định (bạng IV.2). Ý nghĩa này đúng cho mĩi cơ theơ ở mĩi baơc thang tiên hóa.
Bạng IV.2 . Maơt mã di truyeăn.
Chữ cái thứ nhât (đaău 5’) Chữ cái thứ hai U C A G Chữ cái thứ ba (đaău 3’) U Phe Phe Leu Leu Ser Ser Ser Ser Tyr Tyr Term Term Cys Cys Term Trp U C A G C Leu Leu Leu Leu Pro Pro Pro Pro His His Gln Gln Arg Arg Arg Arg U C A G A Ile Ile Ile Met Thr Thr Thr Thr Asn Asn Lys Lys Ser Ser Arg Arg U C A G G Val Val Val Val Ala Ala Ala Ala Asp Asp Glu Glu Gly Gly Gly Gly U C A G