VI. Nucleic acid.
2. DNA Desoxyribonucleic acid.
2.1. Cấu trúc.
Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn. Mỗi sợi đơn là một chuỗi nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường desoxyribose và một trong bốn base (adenine, cytosine, guanine và thymine). Hai sợi đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydrogen hình thành giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi: A bổ sung cho T và C bổ sung cho G. Mỗi sợi đơn có một trình tự định hướng với một đầu 5’phosphate tự do, đầu kia là 3’ hydroxyl tự do (quy ước là 5’ 3’. Hướng của hai sợi đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, nên được gọi là hai sợi đối song.
Những phân tích cấu trúc hiện đại đã cho thấy cấu trúc của DNA không phải luôn luôn tương ứng với dạng được gọi là B mà Watson và Crick đã đưa ra. Do sự tác động của các hợp chất có trọng lượng nhỏ hoặc protein dạng B có thể chuyển sang dạng A (nén nhiều hơn) hoặc là dạng Z (xoắn trái). Chúng có thể tự gấp lại (DNA) hoặc xoắn mạnh, ví dụ một sợi kép DNA có độ dài là 20 cm được nén trong một chromosome có kích thước là 5 m.
Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote ở dạng thẳng, còn ở phần lớn tế bào prokaryote (vi khuẩn) phân tử DNA có dạng vòng. Dù ở dạng nào thì các phân tử DNA đều tồn tại dưới dạng cuộn chặt. Trong tế bào eukaryote, DNA kết hợp chặt chẽ với các protein là histone.
Hình 1.16. Chuỗi xoắn kép của DNA
DNA eukaryote có kích thước rất lớn (ví dụ DNA ở người có thể dài đến 1 m) nên câu hỏi đặt ra là phân tử này phải được nén như thế nào vào thể tích rất hạn chế của nhân. Việc nén được thực hiện ở nhiều mức độ, mức độ thấp nhất là nucleosome và mức độ cao nhất là cấu trúc nhiễm sắc chất. Thật vậy, đường kính của chuỗi xoắn DNA chỉ là 20
o
A, trong khi sợi nhiễm sắc chất quan sát dưới kính hiển vi điện tử có đường kính 100
o
A, đôi khi đạt 300
o
A. Điều này chứng tỏ phân tử DNA tham gia hình thành những cấu trúc phức tạp hơn.
Sợi có đường kính 100
o
A là một chuỗi nhiều nucleosome. Đó là những cấu trúc hình thành từ một sợi DNA quấn quanh một lõi gồm 8 phân tử histon. Sợi 100
o
A này được tổ chức thành cấu trúc phức tạp hơn là sợi có đường kính 300
o
A. Trong nhân tế bào, các sợi vừa kể trên kết hợp chặt chẽ với nhiều protein khác nhau và cả với các RNA tạo thành nhiễm sắc chất, mức độ tổ chức cao nhất của DNA.
(a) Cấu trúc của DNA (b) Cấu trúc hóa học của một phần DNA Liên kết hydrogen
0,34 nm 3,4 nm 1 nm
Hình 1.17. Cấu trúc các nucleotide điển hình.
Các DNA ở eukaryote có đặc điểm khác với DNA prokaryote. Toàn bộ phân tử DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein trong khi đó DNA eukaryote bao gồm những trình tự mã hoá (các exo n) xen kẽ với những trình tự không mã hoá (intron). Các trình tự mã hoá ở eukaryote chìm ngập trong một khối lớn DNA mà cho đến nay vẫn chưa rõ tác dụng. Tùy theo mức độ hiện diện của chúng trong nhân, các trình tự DNA được chia làm ba loại:
- Các trình tự lặp lại nhiều lần. Ví dụ: ở động vật có vú các trình tự này chiếm 10-15% genome (hệ gen). Đó là những trình tự DNA ngắn (10-200 kb), không mã hoá, thường tập trung ở những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như ở vùng tâm động (trình tự CEN) hay ở đầu các nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Chức năng của các trình tự này chưa rõ, có thể chúng tham gia vào quá trình di chuyển DNA trên thoi vô sắc (trình tự CEN) hoặc vào quá trình sao chép toàn vẹn của phần DNA nằm ở đầu mút nhiễm sắc thể (trình tự TEL). Thymine (T) Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Đường (deoxyribose) Phosphate DNA nucleotide
- Các trình tự có số lần lặp lại trung bình. Ví dụ: ở genome người các trình tự này chiếm 25-40 %. Chúng đa dạng hơn và có kích thước lớn hơn (100-1.000 kb) các trình tự lặp lại nhiều lần. Các trình tự này phân bố trên toàn bộ bộ gen. Chúng có thể là những trình tự không mã hóa mà cũng có thể là những trình tự mã hóa cho rRNA, tRNA và RNA 5S.
- Các trình tự duy nhất: là các gen mã hóa cho các protein, có trình tự đặc trưng cho từng gen.
Một đặc điểm của phân tử DNA có ý nghĩa rất quan trọng được sử dụng vào phương pháp lai phân tử. Đó là khả năng biến tính và hồi tính. Biến tính là hiện tượng hai sợi đơn của phân tử DNA tách rời nhau khi các liên kết hydrogen giữa các base bổ sung nằm trên hai sợi bị đứt do các tác nhân hóa học (dung dịch kiềm, formamide, urea) hay do tác nhân vật lý (nhiệt). Sau đó, nếu điều chỉnh nhiệt độ và nồng độ muối thích hợp, các sợi đơn có thể bắt cặp trở lại theo nguyên tắc bổ sung, để hình thành phân tử DNA ban đầu, đó là sự hồi tính.
2.2. Tính chất và vai trò của DNA.
- Tính chất:
DNA có tính đặc trưng bởi số lượng thành phần, trật tự và cách xắp xếp của các nucleotide trong cấu trúc.
Hàm lượng DNA đặc trưng cho mỗi loài, tỷ lệ A + G/T+ X cũng đặc trưng cho loài.
Tính ổn định : tính đặc trưng được duy trì ổn định qua các thế hệ tế bào và cơ thể qua cơ chế nhân đôi, phân ly và tổ hợp qua quá trình gián phân, giảm phân và thụ tinh.
Hoạt động gián phân là để duy trì DNA giữ được tính đặc trưng và ổn định qua các thế hệ.
Sự nhân đôi và phân ly của nhiễm sắc thể và DNA trong giảm phân thành giao tử đơn bội sau đó nhờ thụ tinh để khôi phục bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội duy trì được tính đặc trưng và ổn định của DNA qua các thế hệ của loài sinh sản hữu tính.
- Vai trò của DNA:
+ DNA là nơi lưu giữ các thông tin di truyền - là cơ sở di truyền ở mức phân tử- tham gia vào cấu trúc của nhiễm sắc thể. Là thành phần không thể thiếu được trong bất kỳ mọi cấu trúc tế bào nào
+ Truyền đạt thông tin di truyền cho các thế hệ thông qua sự sao chép (tái bản) phân tử ADN mẹ thành 2 phân tử DNA con giống nhau, và thông qua sự phân ly của hai DNA con về hai tế bào con khi phân bào.
+ DNA có chức năng phiên mã cho ra các RNA, từ đây sẽ dịch mã để tạo nên protein đặc thù và tạo nên tính trạng đa dạng của sinh vật.