DNA: lịch sử, chức năng, cấu trúc, thành phần

DNA (deoxyribonucleic acid) là phân tử sinh học chứa tất cả thông tin cần thiết để tạo ra một sinh vật và duy trì hoạt động của nó. Nó bao gồm các đơn vị gọi là nucleotide, được hình thành lần lượt của một nhóm phốt phát, một phân tử đường gồm năm nguyên tử cacbon và một bazơ nitơ.

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

DNA là một phân tử cực kỳ ổn định, tích điện âm ở pH sinh lý, được liên kết với các protein dương tính (histones) để thu gọn một cách hiệu quả trong nhân của các tế bào nhân chuẩn. Một chuỗi DNA dài, cùng với các protein liên quan khác nhau tạo thành một nhiễm sắc thể.

Lịch sử

Vào năm 1953, James Watson người Mỹ và Francis Crick người Anh đã tìm cách làm sáng tỏ cấu trúc ba chiều của DNA, nhờ vào công việc trong tinh thể học được thực hiện bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Họ cũng dựa trên kết luận của họ về các tác phẩm của các tác giả khác.

Phơi nhiễm DNA với tia X tạo thành một mô hình nhiễu xạ có thể được sử dụng để suy ra cấu trúc của phân tử: một chuỗi xoắn của hai chuỗi phản song song quay sang phải, trong đó cả hai chuỗi được liên kết bởi các liên kết hydro giữa các bazơ . Mẫu thu được như sau:

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

Vào ngày 25 tháng 4 năm 1953, kết quả của Watson và Crick đã được công bố trên tạp chí uy tín Nature, trong một bài báo dài hai trang có tên " 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 thưởng Nobel về y học vào năm 1962, ngoại trừ Franklin đã chết trước khi sinh. Hiện tại phát hiện này là một trong những số mũ lớn của sự thành công của phương pháp khoa học để có được kiến ​​thức mới.

Linh kiện

Phân tử DNA bao gồm các nucleotide, các đơn vị được hình thành bởi một đường gồm năm nguyên tử cacbon gắn với một nhóm phốt phát và một cơ sở nitơ. Loại đường được tìm thấy trong DNA là loại deoxyribose và do đó tên của nó, axit deoxyribonucleic.

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

Đừng nhầm lẫn nucleotide với nucleoside. Sau này đề cập đến một phần của nucleotide chỉ được hình thành bởi pentose (đường) và cơ sở 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 pyrimidine. Nhóm đầu tiên bao gồm một vòng gồm năm nguyên tử được nối với một vòng khác gồm sáu, trong khi các pyrimidine bao gồm một vòng duy nhất.

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

Cấu trúc

Một phân tử DNA được tạo thành từ hai chuỗi nucleotide. "Chuỗi" này được gọi là một chuỗi DNA.

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

Mỗi nucleotide nằm trong một chuỗi có thể được ghép với một nucleotide cụ thể khác của chuỗi khác, để tạo thành chuỗi xoắn kép đã biết. Để tạo thành một cấu trúc hiệu quả, A luôn kết hợp với T bằng hai cầu hydro và G với C bằng ba cầu.

Luật Chargeaff

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

Việc ghép đôi này rất thuận lợi về mặt năng lượng, vì nó cho phép duy trì chiều rộng tương tự dọc theo cấu trúc, duy trì khoảng cách tương tự dọc theo phân tử của bộ xương phốt phát đường. Lưu ý rằng một cơ sở của một chiếc nhẫn được kết hợp với một trong những chiếc nhẫn.

Mô hình chuỗi xoắn kép

Người ta đề xuất rằng chuỗi xoắn kép gồm 10, 4 nucleotide mỗi lượt, cách nhau bởi khoảng cách từ trung tâm đến trung tâm là 3, 4 nanomet. Quá trình cuộn dây làm phát sinh sự hình thành các rãnh trong cấu trúc, có thể quan sát một rãnh chính và một rãnh nhỏ.

Các rãnh phát sinh vì các liên kết glycosid trong các cặp cơ sở không đối diện nhau, liên quan đến đường kính của chúng. Trong rãnh nhỏ là pyrimidine O-2 và purine N-3, trong khi rãnh chính nằm ở khu vực đối diện.

Nếu chúng ta sử dụng sự tương tự của một cái thang, các nấc thang bao gồm các cặp cơ sở bổ sung cho nhau, trong khi bộ xương tương ứng với hai đường ray kẹp.

Các đầu của phân tử DNA không giống nhau, vì vậy chúng tôi nói về một "cực". Một trong những đầu của nó, 3 ', mang một nhóm -OH, trong khi đầu 5' có nhóm phốt phát tự do.

Hai sợi được đặt song song, có nghĩa là chúng nằm đối diện với các cực của chúng, như sau:

Ngoài ra, chuỗi của một trong các chuỗi phải bổ sung cho đối tác của nó, nếu đó là vị trí A, chuỗi phản song song phải là một T.

Tổ chức

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

Các sợi phải được nén để có thể được chứa trong một lõi siêu nhỏ có đường kính 6 μm chỉ chiếm 10% thể tích tế bào. Điều này có thể nhờ vào các mức độ nén sau:

Lịch sử

Ở sinh vật nhân chuẩn có các protein gọi là histones, có khả năng liên kết với phân tử DNA, là mức độ nén đầu tiên của chuỗi. Các histone có điện tích dương để có thể tương tác với các điện tích âm của DNA, được đóng góp bởi phốt phát.

Histones là các protein quan trọng như vậy đối với các sinh vật nhân chuẩn gần như bất biến trong quá trình tiến hóa - hãy nhớ rằng tỷ lệ đột biến thấp cho thấy áp lực chọn lọc đối với phân tử nói trên rất mạnh. Một khiếm khuyết trong histones có thể dẫn đến sự nén chặt trong DNA.

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

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

Nucleosome và sợi 30nm

Chuỗi DNA được cuộn lại trong histones và tạo thành các cấu trúc giống như chuỗi hạt của chuỗi hạt ngọc trai, được gọi là nucleosome. Trung tâm của cấu trúc này là hai bản sao của từng loại histones: H2A, H2B, H3 và H4. Sự kết hợp của các histone khác nhau được gọi là "octamer histone".

Octamer được bao quanh bởi 146 cặp căn cứ, cho ít hơn hai lượt. Một tế bào lưỡng bội của con người chứa khoảng 6, 4 x 109 nucleotide được tổ chức thành 30 triệu nucleosome.

Tổ chức trong các nhiễm sắc thể cho phép nén DNA trong hơn một phần ba chiều dài ban đầu của nó.

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

Nhiễm sắc thể

Nhiễm sắc thể là đơn vị chức năng của di truyền, có chức năng mang gen của một cá thể. Một 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 cho các yếu tố điều tiết, chẳng hạn như RNA.

Tất cả các tế bào của con người (ngoại trừ giao tử và hồng cầu trong máu) có hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể, một bản di truyền từ cha và cái còn lại từ mẹ.

Nhiễm sắc thể là cấu trúc bao gồm một phần DNA dài tuyến tính liên quan đến phức hợp protein được đề cập ở trên. Thông thường ở sinh vật nhân chuẩn, tất cả các vật liệu di truyền có trong nhân được chia thành một loạt các nhiễm sắc thể.

Tổ chức ở sinh vật nhân sơ

Prokaryote là những sinh vật thiếu nhân. Ở những loài này, vật liệu di truyền được cuộn cao cùng với protein kiềm trọng lượng phân tử thấp. Theo cách này, DNA được nén và nằm ở khu vực 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 cùng đặc điểm của nhiễm sắc thể nhân chuẩn.

Lượng DNA

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

Lý luận hợp lý sẽ là để xác định rằng sinh vật càng phức tạp thì càng sở hữu nhiều DNA. Tuy nhiên, điều này không đúng trong tự nhiên.

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

Hãy nhớ rằng không phải tất cả DNA của một sinh vật đều mã hóa protein, một lượng lớn trong số này có 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 được biết đến nhiều nhất. Tuy nhiên, có hai dạng khác nhau, được gọi là DNA-A và DNA-Z.

DNA-A

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

DNA-A xoay cứ 11 cặp cơ sở, rãnh chính hẹp hơn và sâu hơn B-DNA. Đối với các rãnh nhỏ, điều này là bề ngoài và rộng hơn.

QUẢNG CÁO

Biến thể thứ ba là Z-DNA. Nó là dạng hẹp nhất, được hình thành bởi một nhóm các hexanucleotide được tổ chức theo một chuỗi các chuỗi phản song song. Một trong những tính năng nổi bật nhất của hình thức này là nó quay sang trái, trong khi hai hình thức còn lại làm điều đó ở bên phải.

Z-DNA xuất hiện khi có các chuỗi ngắn pyrimidine và purin xen kẽ. Rãnh lớn hơn bằng phẳng và nhỏ hơn hẹp hơn và sâu hơn, so với B-DNA.

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

Chức năng

Phân tử DNA chứa tất cả các thông tin và hướng dẫn cần thiết cho việc xây dựng một sinh vật. Bộ thông tin di truyền đầy đủ trong các 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 các loại protein hoặc mã hóa cho một số yếu tố quy định. Quá trình mà các cơ sở này có thể cung cấp một thông điệp, được giải thích dưới đây:

Nhân rộng, phiên âm và dịch thuật

Thông điệp được mã hóa trong bốn chữ cái A, T, G và C đưa ra kết quả là một kiểu hình (không phải tất cả các chuỗi trình tự DNA cho protein). Để đạt được điều này, DNA phải tự sao chép trong mọi quá trình phân chia tế bào.

Sự sao chép DNA là bán tự động: một chuỗi đóng vai trò là khuôn mẫu cho sự hình thành phân tử con gái mới. Các enzyme khác nhau xúc tác sao chép, 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 phiên mã xảy ra, các enzyme khác nhau phải tham gia, bao gồm RNA polymerase.

Enzyme này chịu trách nhiệm sao chép thông điệp DNA và chuyển đổi nó thành một phân tử RNA thông tin. Nói cách khác, mục đích của phiên âm là để có được sứ giả.

Cuối cùng, thông điệp được dịch thành các phân tử RNA thông tin, nhờ các ribosome.

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

Mã di truyền

Thông điệp được đọc trong "bộ ba" hoặc nhóm ba chữ cái chỉ định cho một axit amin - khối cấu trúc của protein. Có thể giải mã thông điệp của bộ ba vì mã di truyền đã được công bố hoàn toàn.

Bản dịch luôn bắt đầu với axit amin methionine, được mã hóa bởi bộ ba bắt đầu: AUG. Chữ "U" đại diện cho cơ sở uracil và là đặc trưng của RNA và chất thay thế thymine.

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

Đối với tính chất này, người ta nói rằng mã di truyền bị thoái hóa, vì một axit amin được mã hóa bởi hơn một chuỗi các bộ ba, ngoại trừ axit amin methionine ra lệnh bắt đầu dịch mã.

Quá trình được dừng lại với việc chấm dứt cụ thể hoặc dừng bộ ba: UAA, UAG và UGA. Chúng được biết đến dưới tên của đất son, hổ phách và opal, tương ứng. Khi ribosome phát hiện ra chúng, chúng không còn có thể thêm nhiều axit amin vào chuỗi.

Tính chất hóa lý

Axit nucleic có tính axit trong tự nhiên và hòa tan trong nước (ưa nước). Sự hình thành các liên kết hydro giữa các nhóm phốt phát và các nhóm pentyl hydroxyl với nước có thể xảy ra. Nó được tích điện âm ở pH sinh lý.

Các giải pháp DNA có độ nhớt cao, do khả năng chống biến dạng của chuỗi xoắn kép, rất cứng. Độ nhớt giảm nếu axit nucleic đơn sợi.

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

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

Lượng nhiệt phải được áp dụng phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm G-C của phân tử, bởi vì các bazơ này được nối bởi ba liên kết hydro, làm tăng khả năng chống phân tách.

Đối với sự hấp thụ ánh sáng, chúng có cực đại ở 260 nanomet, tăng lên nếu axit nucleic là chuỗi đơn, vì chúng làm lộ ra các vòng nucleotide và chúng chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ.

Sự tiến hóa

Theo Lazcano et al. 1988 DNA phát sinh trong các giai đoạn chuyển từ RNA, là một trong những sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử của sự sống.

Các tác giả đề xuất ba giai đoạn: giai đoạn đầu tiên tồn tại các phân tử tương tự axit nucleic, sau đó bộ gen được hình thành của RNA và là bước cuối cùng bộ gen của dải kép DNA xuất hiện.

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

Đối với việc tổng hợp deoxyribonucleotide (có trong DNA) luôn đến từ việc giảm ribonucleotide (có trong RNA).

Sự đổi mới tiến hóa của một phân tử DNA phải có sự hiện diện của các enzyme tổng hợp tiền chất DNA và tham gia vào quá trình sao chép lại RNA.

Bằng cách nghiên cứu các enzyme hiện tại, có thể kết luận rằng các protein này đã tiến hóa nhiều lần và quá trình chuyển từ RNA sang DNA phức tạp hơn trước đây, bao gồm các quá trình chuyển và mất gen và thay thế không chỉnh hình.

Giải trình tự DNA

Trình tự DNA liên quan đến việc làm sáng tỏ trình tự chuỗi DNA theo bốn cơ sở tạo nên nó.

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

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

Phương pháp của Sanger

Phương pháp này sử dụng DNA polymerase, một loại enzyme có độ tin cậy cao, sao chép DNA trong các tế bào, tổng hợp chuỗi DNA mới bằng cách sử dụng một hướng dẫn đã có từ trước. Enzym đòi hỏi một mồi để bắt đầu tổng hợp. Mồi là một phân tử nhỏ DNA bổ sung cho phân tử sẽ được giải trình tự.

Trong phản ứng, các nucleotide được thêm vào sẽ được đưa vào chuỗi DNA mới bởi enzyme.

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

Kết quả là một loạt các phân tử DNA có chiều dài khác nhau, vì dideoxynucleotide được kết hợp ngẫu nhiên và dừng quá trình sao chép trong các giai đoạn khác nhau.

Sự đa dạng của các phân tử này có thể được phân tách theo chiều dài của chúng và nhận dạng của các nucleotide được đọc bằng phương pháp phát xạ ánh sáng của nhãn huỳnh quang.

Giải trình tự thế hệ mới

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 pyroinating, giải trình tự bằng cách tổng hợp, giải trình tự bằng cách thắt và giải trình tự thế hệ tiếp theo của Ion Torrent.