Các chuỗi polydeoxyribonucleotide của ADN được cấu tạo từ 4 loại nucleotide là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP. Ngoài ra, đôi khi người ta còn tìm thấy một lượng nhỏ các dẫn xuất methyl-hóa của các nucleotide này, ví dụ 6-methytladenine, 5-methylcytosine v.v... được tìm thấy trong nhiều loại ADN của vi khuẩn, động vật và thực vật.Thành phần và trật tự sắp xếp của nucleotide trong các chuỗi polydeoxyribonucleotide, tức cấu trúc bậc 1 của ADN, vô cùng đa dạng. Sự đa dạng này chính là cơ sở của tính đa dạng của thế giới sinh vật, bởi vì, như ta sẽ thấy sau này, nó là cơ sở của quá trình tiến hóa và liên quan mật thiết với tính di truyền.
ĐỂ HIỂU RÕ CHỨC NĂNG SINH HỌC CỦA ADN, BÊN CẠNH NHU CẦU XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC BẬC 1 CÒN CẦN PHẢI HIỂU RÕ CẤU TRÚC KHÔNG GIAN CỦA CHÚNG. MÔ HÌNH CẤU TRÚC XOẮN KÉP CỦA PHÂN TỬ ADN DOWATSON VÀ CRICK XÂY DỰNG NĂM1953 LÀKẾT QUẢ CỦA HÀNG LOẠT NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC SINH HỌC PHÂN TỬ, TRONG ĐÓ TRƯỚC HẾT CẦN KỂ ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH CỦA CHARGAFF VÀ CỦA FRANKLIN VÀ WILKINS.
Sau nhiều năm nghiên cứu thành phần nucleotide của ADN từ các nguồn khác nhau (1949-1953), Chargaff đã đưa ra những kết luận quan trọng mà ngày nay được gọi là các qui luật Chargaff. Đó là:
1/ CÁC CHẾ PHẨM ADN TÁCH TỪ CÁC MÔ KHÁC NHAU CỦA CÙNG MỘT CƠ THỂ ĐỀU CÓ THÀNH PHẦN NUCLEOTIDE NHƯ NHAU.
2/ Thành phần nucleotide của ADN trong cơ thể thuộc các loài khác nhau là không giống nhau.
3/ Thành phần nucleotide của ADN trong cơ thể thuộc một loài nào đó không phụ thuộc vào tuổi, điều kiện dinh dưỡng và hoàn cảnh môi trường.
4/ HẦU NHƯ TRONG TẤT CẢ CÁC CHẾ PHẨM ADN ĐÃ NGHIÊN CỨU SỐ GỐC ADENINE GẰNG SỐ GỐC THYMINE (A=T) CÒN SỐ GỐC GUANINE BẰNG SỐ GỐC CYTOSINE (G=C). ĐIỀU ĐÓ DẪN ĐẾN SỐ GỐC PURINE BẰNG SỐ GỐC PYRIMIDINE (A+G = C+T).
5/ ADN của các loài vốn có quan hệ gần nhau về mặt hệ thống học thì có thành phần nucleotide giống nhau. Trong khi đó các loài cách xa nhau trong quá trình tiến hóa thì khác biệt nhau khá rõ về thành phần nucleotide.
Chargaff còn cho thấy rằng ở thực vật và động vật, tức những cơ thể bậc cao, chỉ có loại ADN thuộc kiểu AT, tức (A+T) > (G+C) . Trong khi đó ở vi khuẩn có cả ADN thuộc hai kiểu AT và GC.
Cùng với những khám phá nói trên của Chargaff, kết qủa phân tích cấu trúc bằng tia X do Franklin và Wilkins thực hiện trong những năm 1950-1953 với các chế phẩm ADN tinh khiết cho thấy có thể được thu nhận ở hai dạng A và B với mức độ hydrate hóa khác nhau, trong đó dạng B, tức dạng có hoạt tính sinh học, có dạng xoắn với hai loại chu kỳ: chu kỳ nhỏ 0,34nm và chu kỳ lớn 3,4nm.
Những kết quả nghiên cứu nói trên là tiền đề cho việc xây dựng mô hình cấu trúc không gian của phân tử ADN mà Watson và Crick đề xuất năm 1953. Theo mô hình này,dạng B của phân tử ADN được cấu tạo bởi hai mạch polydeoxyribonucleotide xoắn phải, song song và ngược chiều nhau, nằm sóng đôi nhau xung quanh một trục chung, tạo thành một sợi xoắn kép. Các nguyên tử phosphore nằm cách trục 1,0nm. Trên mỗi mạch các base nằm cách nhau 0,34nm và một vòng xoắn hoàn chỉnh chứa 10 đôi nucleotide, tức có chiều dài chiếu lên trục 3,4nm (hình 3.7).
Dạng cấu trúc B đặc trưng cho trạng thái có mức độ hydrate hóa cao (dạng tinh thể). Nếu giảm mức độ hydrate hóa, ADN sẽ chuyển sang dạng cấu trúc A, trong đó các base cách nhau 0,26nm và mỗi vòng xoắn chứa 11 cặp base với tổng chiều dài 2,86nm. Trục trung tâm của phân tử không còn thẳng góc với các mặt
đồng thời cũng không xuyên qua các mặt phẳng này mà nằm lệch sang phía này hoặc phía khác.
Sự biến đổi giữa hai dạng cấu trúc này phụ thuộc vào bản chất của dung môi và gắn liền với sự thay đổi các góc hóa trị giữa các thành phần trong bộ khung glucide-phosphate cũng như trong các base. Người ta cho rằng sự biến đổi này có thể xảy ra khi ADN tương tác với các loại protein khác nhau.
Dạng A Dạng B
Hình 3.7. Mô hình cấu trúc xoắn kép của ADN
Phân tử ADN xoắn kép thậm chí có thể tồn tại ở dạng quay trái (dạng Z) như người ta đã phát hiện đối với một số ADN nhân tạo có thành phần base đặc biệt, ví dụ như các poly[d(G- C)].poly[d(C-G)] và poly[d(G-T)].poly[d(C- A)].
Mạch xoắn kép của ADN được hình thành nhờ tính chất bổ sung giữa các base A với T và G với C. Trong toàn bộ phân tử ADN
mỗi base của mạch này nối với base bổ sung của mạch kia thông qua các liên kết hydro (hình 3.8), làm cho hai sợi đơn trong phân tử xoắn kép hoàn toàn bổ sung với nhau.
Trong phân tử ADN xoắn kép các nhóm phosphate cũng như các gốc đường nằm ở mặt ngoài và tiếp xúc trực tiếp với nước, trong khi đó các base nitơ có tính kỵ nước nên nằm bên trong để khỏi tiếp xúc với nước, đồng thời tương tác kỵ nước với nhau (tương tác steking) dọc suốt chiều dài của phân tử, góp phần ổn định cấu trúc xoắn kép.
Hình 3.8. Liên kết hydro giữa các base bổ sung trong
ADN
Bên cạnh cấu trúc xoắn kép mô tả trên đây, ở một số loài sinh vật đặc biệt ADN còn có thể có các dạng cấu trúc khác. Ví dụ ADN của hàng loạt vi khuẩn, virus, của ty thể và lục lạp có cấu trúc vòng xoắn kép, trong khi đó ADN của một số virus khác lại có cấu trúc vòng sợi đơn.
Phân tử ADN được nhân đôi bằng cách hai mạch đơn của phân tử ADN xoắn kép tách ra và mỗi sợi làm khuôn để đúc nên các sợi mới bổ sung với chúng. Kết quả là hình thành hai phân tử ADN giống hệt nhau, trong mỗi phân tử chứa một sợi mẹ và một sợi con. Cơ chế nhân đôi này được gọi là cơ chế bán bảo thủ. Nhờ cơ chế nhân đôi này mà hầu như toàn bộ thông tin di truyền được chuyển từ thế hệ này sang thế hệ khác.
CẤU TRÚC XOẮN KÉP CỦA PHÂN TỬ ADN CŨNG LÀ CƠ SỞ ĐỂ TẠO NÊN CÁC BẢN SAO ARN ĐỂ TRỰC TIẾP ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP PROTEIN. THÔNG TIN DI TRUYỀN ĐƯỢC MÃ HÓA TRONG CÁC BỘ BA NUCLEOTIDE CỦA
ADN. NHỮNG BỘ BA NÀY ĐƯỢC GỌI LÀ BỘ BA MẬT MÃ (CODON). NGÀY NAY NGƯỜI TA ĐÃ HIỂU RÕ Ý NGHĨA CỦA TẤT CẢ 64 CODON. Y'NGHĨA NÀY ĐÚNG CHO MỌI CƠ THỂ Ở MỌI BẬC THANG TIẾN HÓA (BẢNG 3.2).