u t o chu i poly nucleotide ấ ạ ỗ
ơ ừ ế ằ ạ ế ố ạ ớ ỗ ỗ T các đ n phân nucleotide liên k t l i b ng liên k t photphodiester t o nên chu i polynucleotide. Các ribonucleotide n i v i nhau cho chu i polyribonucleotide, còn các dezoxiribonucleotide n i v i nhau s t o nên chu i poly dezoxiribonucleotide. ố ớ ẽ ạ ỗ
c t o ra t nhóm C3'-OH ạ ừ ủ đ u 5' c a c v i nhóm OH còn l i v i nhau ớ c và n i l ở ầ c a nucleotide tr ượ ủ nucleotide sau. Hai nhóm OH lo i 1 phân t ố ạ ớ ạ
Liên k t ester đ ế H3PO4 liên k t ế ester. Nh ư v y, ậ phân t liên k t ế ester n i ố 2 nucleotide l i c a ạ ủ ướ b ngằ n ử ướ ử H3PO4 đă t o ạ ra 1 liên k t ế ester trong nucleotide và 1 i ạ v i ớ nhau, do đó g i ọ là liên k t photphodiester. ế
C u trúc chu i polinucleotit ỗ ấ
ỗ ầ ầ i C3 ự ầ ả ề ự ạ ỗ c n i thêm vào đ u 3'. Chu i polynucleotide mang tính phân c c. Đ u trái luôn có nhóm P có nhóm OH t ọ là nucleotide m i vào liên k t đ kéo dài chu i ch đ ế ể là đ u 5', đ u ph i luôn luôn ầ nên g i là đ u 3'. Chu i polynucleotide ch n i dài theo chi u 5'-3', t c ứ ỉ ố ố do t ớ ỉ ượ ầ ỗ
ừ ẽ t o ạ T 4 lo i nucleotide (trong ADN là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP; trong ARN là AMP, ạ CMP, UMP) s polynucleotide đ c phân bi GMP, nên vô s ố các chu i ỗ polynucleotide khác nhau. Các chu iỗ t nhau b i 3 y u t ở : ế ố ượ ệ
- Thành ph n các nucleotide. ầ
- S l ng các nucleotide. ố ượ
- Tr t t s p x p các nucleotide. ậ ự ắ ế
T ừ polyribonucleotide t o ạ ra ARN, còn t ừ polydezoxiribonucleotide s ẽ t o ạ ra ADN.
ADN đ ể ấ ạ ấ ạ ặ ử ượ ạ ừ ỗ ADN b o đ m có s liên k t b . Phân t ề ượ c t o ra t ủ ự ử ả ơ c chi u nhau. S đ i song c a phân t ự ố . Baz nit ơ ơ ơ hai chu i polynucleotide - hai chu i này ỗ ế ổ ả ỗ quay vào phía gi a hai chu i nên hai chu i ữ ỗ c chi u nhau. C u t o ADN (aciddezoxiribonucleic) * Đ c đi m c u t o AND x p song song và ng ế sung gi a hai chu i qua các baz nit ỗ ph i ng ả ữ ượ ề
ADN. Đ có các liên k t b sung ấ ị ử ế ổ ể S đ i song cũng đ m b o s n đ nh cho c u trúc phân t ự ổ ả gi a hai chu i thì hai chu i ph i song song. ả ự ố ữ ả ỗ ỗ
ơ c a ủ hai polynucleotide liên k t ế v i ớ nhau b ng ằ liên k t ế hydro theo nguyên i G chu i này ế ớ ế ằ ổ c l ượ ạ ỗ Các baz ơ nit lý b sung: A chu i này liên k t v i T chu i kia b ng 2 liên k t hydro và ng ỗ liên k t v i C chu i kia b ng 3 liên k t hydro. ế ớ ỗ ỗ ế ằ
ả ả ỗ cũng có m t baz purin có kích th ơ ờ ộ ỗ Tính ch t b sung trên b o đ m cho hai chu i luôn song song và kho ng cách gi a hai chu i ữ không đ i do trong c p baz b sung bao gi c l n đi kèm ướ ớ ặ m t baz pirimidin có kích th c bé. ấ ổ ổ ơ ả ơ ổ ướ ộ
ể ề ệ ấ ỗ ề ể ể ấ ổ ẫ ệ ươ ề ổ i trong đi u ki n riêng và chúng ấ i ta tìm th y d ng B, A, C, D, Z, E... trong đó, d ng B ph bi n h n và có vai trò ồ ạ ng ng. Hi n nay, ng ườ ệ ứ ơ ạ i ồ ạ ở ạ ổ ế ADN có nhi u ki u c u trúc khác nhau. M i ki u c u trúc t n t có th chuy n đ i l n nhau khi thay đ i các đi u ki n t ể bào ADN t n t trong t ế trong c ch truy n đ t thông tin di truy n. ạ ơ ề ế ề
ự ủ ầ ấ ạ ạ ỗ ở Thành ph n c a ADN cũng r t đa d ng. S đa d ng c a chu i polynucleotide đã phân tích trên t o nên s đa d ng c a ADN. ủ ự ủ ạ ạ
ợ ơ ợ ơ ế ạ ạ ẳ ạ Hình thái ADN trong t ấ s i kép th ng, s i kép d ng vòng ... ẳ bào cũng r t đa d ng. Có lo i ADN s i đ n th ng, s i đ n d ng vòng, ạ ợ ợ
Kích th ướ c ADN cũng r t đa d ng, t ấ ạ ừ vài trăm c p baz đ n hàng tri u c p baz . ơ ơ ế ệ ặ ặ
ạ B (theo Watson - Crick). K t ế h p ợ nhi u ề công trình t ệ là nghiên c u ứ c a ủ Sachgaff cùng nh ng nghiên c ướ đó, đ c ặ bi * C u ấ trúc không gian ADN d ng nghiên c u ứ v ề ADN tr c u c a mình, năm 1953, Watson và Crick đã công b mô hình c u trúc không gian c a ADN. ứ ữ ủ ủ ấ ố
ủ ư ệ ế ủ ề ớ ủ ấ ượ ờ ự ệ ặ ở i ta đă phát hi n thêm nhi u d ng c u trúc khác c a ADN, cũng nh xác M c dù đ n nay ng ặ ế ấ ạ ườ ư c c u trúc th c c a ADN có khác so v i mô hình lý thuy t c a Watson - Crick, nh ng đ nh đ ự ị s ra đ i mô hình c a Watson - Crick đã tr thành b ờ c ngo t trong sinh h c, báo hi u s ra đ i ủ ọ ướ ự . c a sinh h c phân t ử ủ ọ
C u trúc không gian c a ADN, theo Watson - Crick, có nh ng ủ ữ ấ đ c ặ đi m c ể ơ b n sau : ả
- Hai chu i polynucleotide đ i song, xo n theo chi u ph i. ả ố ề ắ ỗ
oC.
ằ . ử ẳ ặ ơ ơ ơ ớ c a hai chu i liên k t v i nhau b ng liên k t ế ớ song song v i nhau ế hydro ử ẳ ằ ơ - Khung dizoxiriboza và H3PO4 n m ngoài b m t phân t h - Các baz nit ơ ướ và th ng góc v i tr c phân t ớ ụ theo nguyên t c b sung (A = T, G ổ ắ ề ặ ng vào phía trong chu i xo n. M t ph ng các baz nit ỗ ắ . Hai baz nit ơ ủ ≡ C). Hai c p baz nit ặ ỗ ơ ầ g n nhau x p l ch góc 36 ế ệ ơ
ỗ ắ ườ ẳ ơ ắ ề ặ ặ ơ ề ặ v i chi u dài 3,4nm. Kích th ướ ơ ớ c ướ g c. ố G n ầ đây, qua xác đ nh ị c trên là theo tính b ng ằ ệ ự ơ ặ ạ ơ li n nhau cách nhau 0,34 nm. M i ỗ toán c aủ i ta th c nghi m, ng ườ trên m t vòng ộ mô hình Watson - Crick). - Đ ng kính chu i xo n 2 nm. M t ph ng hai c p baz nit vòng xo n có 10 c p baz nit ơ Watson - Crick, là kích th th y ADN d ng B (d ng c a Watson - Crick) có trung bình 10,5 c p baz nit ủ xo n và chi u dài vòng xo n là 3,6nm (thay vì 10 c p và 3,4nm ắ ạ ề ấ ắ ặ ở
Các d ng c u trúc c a ADN ủ ấ ạ
B D ngạ c u trúc ấ C A Z
Đ c tính ặ
Trái Chi u xo n ắ ề Ph iả Ph iả Ph iả
S c p N c a 1 vòng 10,0 10,9 91/3 12,0 ố ặ ủ
20Ao 23Ao 19Ao 18Ao Đ ng kính vòng xo n ắ ườ
Kho ng cách 2n 3,4Ao 2,9Ao 3,3Ao 3,4Ao ả
34Ao 32Ao 31Ao 45Ao Chi u dài vòng xo n ắ ề
Góc c a baz nit 90o 20o 18o ủ ơ v i tr c ơ ớ ụ
36o 32,7o 38,6o - 30o Góc gi a hai baz ữ ơ
Thành ph n hóa h c c a các nucleotide
ọ ủ
ầ
DT PHÂN TỬ
ọ ậ ữ ủ ọ ủ ơ ọ ỗ ồ ể ơ ườ ộ
ườ bào, ví d nh các dòng năng l ấ ằ (nitrogenous base), m t đ , RNA cho ra các base, phosphoric acid và đ ứ ụ ư i n p tín hi u ch ng h n. c các c u trúc hoá h c c a DNA và Vào gi a th p niên 1940, các nhà hoá sinh h c đã bi t đ ế ượ RNA. Khi phân c t DNA thành các ti u đ n v , h phát hi n ra r ng m i nucleotide c a DNA ệ ị ắ ộ ng deoxyribose, và m t g m ba thành ph n: m t base nit ộ ầ ng ribose. Các ng t phosphoric acid. T ự ươ ấ ng, các ch t nucleotide cũng có nhi u ch c năng khác trong t ượ ế ề d n truy n th n kinh và các thông tin lo i hai nh t ư ả ạ ề ệ ẫ ầ ạ ẳ ạ
(g i t ơ ầ ị ơ ặ ề ấ ủ ủ ư ề ơ ả ồ ủ
ố ư ạ ế ầ ỉ ứ ử ằ n m xen v i các nguyên t ử ng h p c a đ ườ ơ ằ ư nit ầ ớ ườ ủ ệ ấ ẩ ợ ị 1. Base nitơ Các base nit ợ t là base), thành ph n đ c tr ng c a các nucleotide, là các h p ọ ắ có tính ki m. V c b n, các d n xu t c a purine bao ch tấ purine và pyrimidine d vòng ch a nit ẫ ứ g mồ adenine (A) và guanine (G), còn c a pyrimidine g m có: thymine (T), uracil (U) và cytosine(C). ứ DNA ch a b n lo i base chính là adenine, guanine, thymine và cytosine. Trong RNA cũng ch a ứ uracil thay thế thymine (Hình 2.1). C n chú ý r ng purine và các base nh th , ch khác là carbon, nên pyrimidine là các base d vòng ch a các nguyên t ị ng pentose vi c đánh s các v trí không thêm d u ph y trên đ u nh trong tr ố (xem các Hình 2.4 - 2.6).
ạ ọ bào, nh : ấ ế ủ ố ớ
ả ộ ế ng ệ ượ methyl hoá (methylation) x y ra ộ ố ạ ủ ế ữ ả ở ổ Bên c nh các d ng ph bi n nói trên, các purine khác cũng có vai trò quan tr ng trong trao đ i ổ ế ạ ch t c a t ư xanthine, hypoxanthine và uric acid; còn đ i v i pyrimidine đó là các oroticvà dihydroorotic acid . Ngoài ra còn b t g p m t s lo i base hi m thu c c hai nhóm purine và pyrimidine. Đó là ặ ắ nh ng base bi n đ i ch y u do hi n t các v trí khác ế ị ổ nhau, ch ng h n: 1-methyladenine, 6-methyladenine, 2-methylguanine, 5-methylcytosine v.v. ạ ẳ
ẫ ấ ủ ẫ ấ ủ ấ ủ ặ
i i d ỗ ạ ạ ể ồ ướ các d ng h bi n ố ố i b n (ph bi n) và kém b n (ít ph ồ ạ ề ề i v i nhau do s d ch chuy n v trí c a các nguyên t ổ ế ạ ớ ử ị ủ , uracil có hai d ng h bi n: lactam (d ng ng t ủ ỗ ế ế ươ ự ế ạ ỗ ạ keto) chi m u th ng h bi n này d n t ệ ượ ả ổ ườ ủ ươ ả i sao chúng đ ế (dominant tautomeric form); có l ổ ế ỗ ế ư ạ ỗ ế ng c a các base và làm phát sinh các đ t bi n gene d ng thay th m t c p base. ộ ế ng đ i b n v ng ố ề ữ đó là lý do t ẽ ề ề ể 260-270 nanomet (1nm = 10 ướ -9m). Chúng có th đ ể ượ ạ ở ằ Hình 2.1 C u trúc các base c a DNA và RNA. Adenine và guanine là các d n xu t c a purine; còn cytosine, thymine và uracil là các d n xu t c a pyrimidine; trong đó uracil là đ c thù cho RNA và thymine cho DNA. ế (tautomeric Các base purine và pyrimidine có th t n t ặ keto và enol (đ i v i ớ forms) amino vàimino (đ i v i adenine và cytosine; Hình 2.2A), ho c ớ ổ guanine và thymine; Hình 2.2B). Đó là hai tr ng thái t n t ổ ế ạ bi n), có th bi n đ i qua l hydro trong ể ự ị ể ế các base purine và pyrimidine. Hình 2.2 cho th y các d ng h bi n c a các base trong DNA. ạ ấ pH = 7 và lactim T ế ở ư ế i thay đ i kh năng k t (d ngạ enol) gia tăng khi pH gi m. Chính hi n t ả ẫ ớ c p bình th ế ộ ặ ạ ặ c g i tr ng thái h bi n đ Các base ph bi n trong c DNA và RNA là t ọ ỗ ế ở ạ ượ ọ ọ làd ng h bi n u th c ch n l c ượ ạ ấ c và có kh năng h p đ mang thông tin di truy n. Nói chung, các base này đ u ít tan trong n ả thu ánh sáng c c đ i c tách ra b ng các ph ng pháp s c ký và đi n di. ự ắ ươ ệ
ạ ủ ỗ ế ạ ổ ế ổ ế ạ ị ự ị ể ạ ng và phosphate. ử ủ (A) Các d ng amino (ph bi n) c a Hình 2.2 Các d ng h bi n c a các base trong DNA. adenine và cytosine có th bi n đ i thành các d ng imino; và (B) các d ng keto (ph bi n) c a ủ ổ ể ế ạ i thành các d ng enol. Các mũi tên bi u th s d ch chuy n guanine và thymine có th s p x p l ể ế ạ ể ắ v trí nguyên t hydro. R là các g c đ ườ ố ị 2. Đ ng pentose ườ
ứ ả ẩ ấ ổ ế ớ bào, v i Các đ nhi u lo i nh : arabinose, ribulose, ribose và d n xu t c a nó là deoxyribose v.v. ề ng ch a năm carbon (pentose) là s n ph m c a quá trình trao đ i ch t trong t ườ ẫ ạ ủ ấ ủ ư
ủ ệ ườ ườ ể nhiên). Các phân t ề ầ ọ có d u ph y trên đ u, ví d C đây x p liên t c nên đ c đánh s th t Đ ng pentose c a RNA là ủ đ ng quay ph i tr ả ướ thành ph n c a các nucleic acid t ủ vòng furanose (g i nh th b i vì nó gi ng v i h p ch t ấ furan d vòng). Do các nguyên t ẩ ở D-ribose và c a DNA là c ánh sáng phân c c đ phân bi ự ự ố ố ứ ự ỉ ạ 2'-deoxy-D-ribose (ký hi u D ch d ng t v i d ng L quay trái không có trong ệ ớ ạ đ ng này đ u có c u trúc ấ ử ườ carbon ị ử 5'. ụ 1', C2' cho đ n Cế ầ ư ế ở ượ ớ ợ ấ ụ ế
ng ribose (trái) và deoxyribose (ph i); chúng khác nhau ả ở đ ử ườ ủ ố ng này khác nhau ộ ạ ườ ạ ừ ng ng là RNA và DNA. Và chính s khác bi ệ ự ứ ấ ỏ ỏ ề ơ ẫ ệ ạ ơ ề ị ớ ự đi u này gi i thích ph n nào t ấ ầ ả ậ ấ ề ả ạ ấ ể ẽ ề i sao DNA xu t hi n nh là v t ch t di truy n s ư
ằ ứ ọ ị đ ử ườ v trí C ở ị ể do, đó là: (i) nhóm -OH ự ớ ố ế ả v trí C ể ạ ở ị ả v trí C ở ị ể ạ ớ ể ạ ế ộ ng mà t ư ậ ế ị ừ ố c th hi n ườ 5' và C3'. ể ệ ở ủ
5'(xem AMP vòng (cyclic AMP = cAMP), nhóm phosphate
ộ ố ấ ng t đóng vai trò quan bào. Do có ch a ba nhóm -OH nên acid này có ứ 5' và C3' đ t o nên các nucleotide i các v trí C ị ọ ể ể ạ ạ ớ ỗ i C ế ớ ạ ợ đi u hoà ử ề ở 5' và C3' trong cùng m t nucleotide. C ườ ớ ộ
Hình 2.3 C u trúc c a các phân t ấ carbon s 2. nguyên t ử ở 2'; trong ribose đó là nhóm hydroxyl và trong deoxyribose là C đ Hai phân t ử ườ ng khác nhau này đã t o ra hai lo i nucleotide m t hydro (Hình 2.3). Do các g c đ ạ ố đó c u t o nên hai lo i nucleic acid khác nhau làribonucleotide và deoxyribonucleotide, mà t ạ t nh nh t v m t c u trúc này đã t o nên các t ặ ề ặ ấ ươ ra đ c quánh h n nhi u do đ c tính hoá lý r t khác nhau gi a DNA và RNA. Dung d ch DNA t ặ ặ ữ s tr ng i l p th (steric hindrance) và m n c m h n v i s thu phân trong các đi u ki n ki m ề ỷ ạ ậ ự ở (alkaline), có l ơ ệ c p (primary genetic material). ấ ng này có ba v trí quan tr ng có ch a nhóm hydroxyl (- C n đ ý r ng, trong các phân t ầ 1' có kh năng hình thành liên k t N-glycosid v i g c -NH OH) t 5' có kh năng hình thành liên c a các base đ t o thành các nucleoside; (ii) nhóm -OH ủ 3' có kh năng k t ester v i nhóm phosphate đ t o ra các nucleotide; và (iii) nhóm -OH ả ế ỗ hình thành liên k t phosphodiester v i nhóm phosphate c a m t nucleotide khác đ t o chu i ớ ủ polynucleotide. Nh v y, tính phân c c (polarity) trong g c đ đó quy t đ nh tính phân ự hai v trí C c c c a các chu i polynucleotide đ ị ượ ỗ ự 3. Phosphoric acid Phosphoric acid (H3PO4) là acid vô c có ch a phosphor (P), m t nguyên t ứ ơ tr ng trong trao đ i ch t và năng l ng c a t ủ ế ượ ổ th hình thành liên k t ester v i các g c đ ườ ố ế và chu i polynucleotide . Trong các nucleotide c a DNA và RNA, nhóm phosphate liên k t v i các nucleoside t ủ ng h p phân t Hình 2.5). Trong tr t o liên k t ester v i hai nhóm -OH ế ạ C u trúc c a các nucleotide
ủ
ấ
DT PHÂN TỬ
1' b ng m t ử
ấ ượ ố ớ ộ N ể c t o thành do m t base n i v i m t đ ộ ườ 1' c a đ ủ nucleoside. ơ ị ọ ộ liên i v trí C ằ ạ ị 1 c aủ ng n i v i nguyên t ớ ng pentose t ố ườ ử N 1. C u trúc c a các nucleoside ủ Các base và đ ườ M i nucleoside đ ỗ k t β-N-glycosid ế pyrimidine ho c v i nguyên t ặ ng trong RNA và DNA đ ượ ạ . C th là, nguyên t ụ ớ c n i v i nhau thành các đ n v g i là ố ớ carbon C ử 9 c a purine (xem các Hình 2.4 - 2.6). ủ
ấ ố ọ ắ ủ ủ Hình 2.4 C u trúc c a b n lo i deoxynucleoside trong DNA. ạ các base t ứ ươ ứ ẫ ấ ủ ồ ừ ẫ ng ng, trong - -osine và các d n xu t c a pyrimidine có đuôi ấ ủ
1' b ng m t
ấ ủ ơ ở ủ ị ấ ữ ơ ệ ượ ester hoá (esterification) có th x y ra ở ấ ể ả ủ ng do nào, nh ng ph bi n nh t là ổ ế ư ự ấ ở ị các v trí 5' và 3' trong các nucleic acid. ư ế ấ ầ ồ ỗ ớ ộ base t ế ạ ớ Tên g i chính th c hay danh pháp c a các nucleoside b t ngu n t đó các nucleoside là d n xu t c a purine có đuôi idine (B ng 2.1). ả 2. C u trúc c a các nucleotide Đ n v c u trúc c s c a các nucleic acid là các nucleotide. Các nucleotide là nh ng ester b t kỳ nhóm phosphate c a các nucleoside. Hi n t hydroxyl t V c u trúc, m i nucleotide g m ba thành ph n k t dính v i nhau nh sau: g c ố ề đ ớ và n i v i ngườ pentosen i v i m t ố ằ ố nhóm phosphate t ộ liên k t β-glycosid (Hình 2.5 và 2.6). ộ liên k t phosphomonoester i Cạ 5' b ng m t ằ i C ế
ấ ủ ộ ấ ố ự ộ đây cho th y các m i liên k t N-glycosid và ester. ư ế ạ ị các nhóm hydroxyl thu c hai v ộ ế 3' (t o liên k t ể ệ ở ừ ạ ớ Hình 2.5 C u trúc c a m t deoxyribonucleotide (dAMP, bên trái) và m t ribonucleotide (UMP). ế Ở Nh th tính phân c c trong c u trúc m t nucleotide th hi n ộ ấ trí C5' (t o liên k t ester v i nhóm phosphate trong t ng nucleotide) và C phosphodiester v i nucleotide khác trong chu i polynucleotide). ế ớ ỗ
đây cũng ch ra danh t c a b n lo i deoxyribonucleotide trong DNA. ỉ ố Ở ế ủ ủ di- và triphosphate ấ ủ ỗ ư ượ ủ ố c n i v i vòng c a g c đ ườ ộ ề ự ể ớ ở phosphor P đ ướ ượ ử ấ ng ng v i các v trí t ừ 5' h C ợ C ứ ợ ị ổ ớ ấ ể ượ ể ố ộ
ng 6). ươ ươ ề ệ Danh pháp các nucleoside c a RNA và DNA ng tính operon lactose; xem ch ủ Hình 2.6 C u trúc chi ti ạ ấ pháp c a các nucleoside và nucleotide. 3. C u trúc c a các nucleoside ằ ng b ng Nh đã đ c p, m i nhóm phosphate (phosphate group) đ ố ớ ề ậ , và nhi u nhóm phosphate có th n i nhau thành m t dãy b ng ằ m tộ liên k t phosphomonoester ể ố ế ặ 5' có th đi v i mono-, di- ho c các liên k t phosphoanhydride (hình 2.7). S ester hoá ế triphosphate (nguyên t ng ra c đánh d u t ươ ngoài là α, β và γ). Các nucleoside 5'-triphosphate là nh ng h p ch t cho t ng h p nucleic acid. ữ c ester hoá b ng cách n i cùng m t nhóm phosphate đ sinh Hai nhóm hydroxyl cũng có th đ ằ ra m tộ nucleotide vòng (cyclic nucleotide), ví d cAMP là 3'-5'-cyclic phosphate (đóng vai trò t ả i ụ n p tín hi u, đi u hoà d ạ B ng 2.1 ả Base Deoxynucleoside (DNA) Nucleoside (RNA)
Purine
Adenine Adenosine = A deoxyadenosine = dA
Guanine Guanosine = G deoxyguanosine = dG
Hypoxanthine* Inosine* = I Không có
Pyrimidine
Cytosine Cytidine = C deoxycytidine = dC
Thymine Th ng không có (deoxy)thymidine = dT** ườ
Uracil Uridine = U Th ng không có ườ
ạ ế ủ ể ậ ặ ầ ạ ỉ t là thymidine. Tuy nhiên, trong các RNA v n chuy n th ** B i vìở ầ ng không có trong RNA, nên ti p đ u ng "deoxy" ch cho lo i deoxynucleoside này ườ ữ ườ ng c l ượ ượ ườ ể ậ ỏ Ghi chú: * Đây là d ng hi m, có m t trong thành ph n c a các RNA v n chuy n. thymine th ế th ng đ có ribothymidine ch a đ ọ ắ ng ribose. t b và g i t ườ ứ
(a) (b)
ba tr ng thái mono-, di- và ủ ế ấ ở ạ Hình 2.7 (a) C u trúc chi ti t c a các nucleotide adenosine triphosphate; và (b) nicotinamide adenosine diphosphate (NADP).
-2 + H+
ướ ườ ả ả ượ ọ c. Các nucleoside c xem là các axit đúng nh tên g i ph n nh (ví d AMP là adenylic acid ư ng có tính acid m nh và tan trong n ạ ụ ứ ấ ơ ấ ự ớ ớ Nói chung, các nucleotide th monophosphate đ ư hay adenylate); chúng có s ion hoá s c p v i pKa 1-2 và ion hoá th c p v i pKa 6,5-7,0, nh sau:
- + H+ ↔ PO3 ủ ứ ấ ớ
ấ ả ỉ ư ị ề ớ ư ự ề ươ ặ
-H2PO3 ↔ -HPO3 T t c các phosphate c a các nucleoside di- và triphosphate đ u ion hoá, nh ng ch nhóm t n ậ 2++và cùng là có ion hoá th c p. Các nucleotide này đ u có ái l c v i cation hoá tr hai nh Mg Ca2++ (chúng t C u trúc c a các chu i polynucleotide ng tác v i các nhóm phosphate α và β ho c β và γ). ỗ
ủ
ấ
DT PHÂN TỬ
ặ ố ị ế ố ớ ữ ườ ủ ớ ố ạ ờ ỗ gi a g c đ ỗ polynucleotide. Vì v y các chu i này bao gi ậ do và đ u 3' ch a nhóm -OH t cũng đ ự ứ ự ầ ế ố ồ ườ các base vì v y đ ề ằ ộ ọ ị Các nucleotide trong DNA ho c RNA n i v i nhau b ng các m i liên k t đ ng hoá tr (covalent) ế ồ ằ ng c a nucleotide này v i nhóm phosphate có tên là liên k t 3',5'-phosphodiester ượ c c a nucleotide k ti p, t o thành chu i ế ế ủ kéo dài theo chi u 5'→3' (đ u 5' mang nhóm phosphate t do). ầ ề ng và phosphate x p luân phiên nhau, còn các Chúng có b khung v ng ch c g m các g c đ ộ ắ ữ base n m v m t bên. Trình t c đ c theo m t chi u xác đ nh 5'→3'. Đây là ượ ậ ự ề ộ c u trúc hoá h c s c p c a DNA và RNA (Hình 2.8 và 2.9). ọ ấ ơ ấ ủ
ỗ ấ ấ ị Ở ng deoxyribose và liên k t phosphodiester n i gi a các g c đ đây cho th y các v trí 5'-phosphate ng ữ ư ườ ườ ế ố ố Hình 2.8 Mô hình c u trúc chu i polynucleotide DNA. và 3'-hydroxyl cũng nh đ này.
i ta bi u di n trình t ễ ể ườ ườ ấ ng ng ỗ base 5'→3' theo chi u t ề ừ ặ ỉ ố ng, ta có th hình dung trình t ở ệ ề ố ườ ủ ế ể ỏ ng theo chi u t trái sang ph i. Hình 2.8 cho ả ng trong các ườ các ự 5' đ n 3' ế t v g c đ ề ề ừ ự ủ ưở ỗ Thông th ự th y các chu i DNA và RNA ch khác nhau b i base U ho c T và g c đ nucleotide c a chúng. N u b qua s khác bi base c a hai chu i polynucleotide c a DNA và RNA đ u sinh tr ủ (5'→3'), nh sau: ư
Chu i DNA: (5') pApApTpTpCpTpTpApApApTpTpC -OH (3') ỗ
Chu i RNA: (5') pApApUpUpCpUpUpApApApUpUpC -OH (3') ỗ
ấ ủ ủ ỗ cũng đ ộ ổ base đ c vi c t ướ ừ ượ ế ầ Các chu iỗ c t ng h p (kéo dài) theo chi u 5'→3'; chúng có b khung ề trái (đ u 5') sang t theo quy đây nh sau: 5'-...dGdAdCdT..-3', còn đ i v i chu i RNA là ỗ ợ ờ ng-phosphate" r t v ng ch c và trình t ấ ữ ự ư ỗ ườ ả ố ớ ở Hình 2.9 C u trúc chu i polynucleotide c a DNA (a) và c a RNA (b). polynucleotide bao gi ượ "đ ắ ph i (đ u 3') đ i v i chu i DNA ố ớ ầ 5'-...GACU..-3'.
ợ ằ ấ ầ ư ở ợ ượ ả ứ
ng 5 và 6). và phiên mã ; ch ươ ộ ủ ng ng là ứ ươ ả ướ ộ ữ i trong t nhiên và đ ồ ạ ắ ượ ự ư ả ử ụ ế ụ ự ổ ệ ằ ợ ọ ợ i mã di truy n, ch ể ả ỹ ỹ ươ ể ề ả ứ ỗ ằ ợ ị (DNA sequencing), ph n ng trùng h p chu i b ng polymerase ẫ i 100 nucleotide). Các ồ (primer) trong ng 5). Các oligonucleotide t y u cho các k thu t thí ậ ế ế ậ xác ng 6; có th tham kh o thêm các k thu t ả (polymerase (nucleic acid probe), lai ng 3-6]. (gene therapy); các ch ươ
C n l u ý r ng, các h p ch t cho polymer hoá là các nucleoside triphosphate, nh ng các ư monomer c a m t nucleic acid là monophosphate. Ph n ng trùng h p này đ c xúc tác b i các enzyme t DNA- ho cặ RNA polymerase và sinh ra các pyrophosphate (có th xemể thêm trong: tái b n DNA Các oligonucleotide là nh ng nucleic acid ng n (nghĩa là có đ dài d ữ đo n m i c s d ng nh là nh ng oligoribonucleotide t n t ạ tái b n DNA và cho các m c đích khác nhau trong t bào (xem ch ươ t ng h p có th t o ra b ng s t ng h p hoá h c và là nguyên li u thi ể ạ ổ nghi m [ví d nh dùng đ gi ụ ư ệ đ nh trình t DNA ự chain reaction), lai in situ (in situ hybridization), m u dò nucleic acid nucleic acid (nucleic acid hybridization), li u pháp gene Các
c tính hóa lý c a các nucleic acid
đặ
ệ ủ
DT PHÂN TỬ
ạ ổ ủ là c u trúc ph bi n. Tuy nhiên, sau này ng ổ ế ườ ấ ạ ộ ạ ắ ề ạ DNA-Z. Chúng có m t s bi n đ i so v i DNA-B ộ ố ế ả ớ 1. Các d ng bi n đ i c a DNA ế Mô hình Watson-Crick hay DNA d ng B i ta còn phát hi n ra nhi u d ng khác: các d ng DNA xo n ph i A, C, D, v.v. và m t d ng DNA xo n trái ắ ạ ệ duy nh t g i là ấ ọ ổ Đ c đi m c a các d ng DNA - A, B, C và Z ạ ủ ể ặ
D ngạ Chi u xo n ắ ề S bp/vòng xo n ắ ố Đ ng kính chu i xo n ắ ườ ỗ
A 11,0 Ph iả 23Ao
B 10,0 Ph iả 19Ao
C 9,3 Ph iả 19Ao
Z Trái 12,0 18Ao
ế c r ng, khi tăng nhi ằ ự ượ ằ t ệ ộ ừ ừ DNA b ị t đ t ử c, trong khi các vùng giàu c p GC v n gi ườ ấ ổ ặ ẫ ắ ỗ ặ ẽ ể ế dung d ch ch a DNA lên t ứ ỉ t ừ ừ ỗ ặ ứ ế ị ủ ủ ế ị ợ ổ i, khi làm ngu i t (denaturation). Ng ng đó g i là t ọ ứ ng đó đ ho c khi có m t ặ ặ ừ ị bi n tính t ng ế nguyên đ c ặ ướ ữ i là do m i c p AT ch có hai liên k t hydro, kém b n h n ơ ề ệ t i nhi ớ oC, các liên k t hydro c a chúng b phá h y hoàn toàn và hai s i b sung tách ra. dung d ch ị i v i s i b sung c a ủ h iồ ộ ừ ừ ng c p l ặ ạ ớ ợ ổ ượ c l ượ ạ ườ ệ ế ị ế ồ ợ ơ ầ c g i là ọ ượ ụ ắ 2. Bi n tính và h i tính c a DNA ủ ồ i ta đã ch ng minh đ B ng th c nghi m, ng ứ ệ các tác nhân gây m t n đ nh nh alkali hay formamide, các phân t ư ph nầ (các vùng giàu c p AT s tách tr ặ tính xo n kép). Đi u này có th lý gi ả ề so v i m i c p GC ch a ba liên k t hydro. Khi đun nóng t ớ đ g n 100 ộ ầ Hi n t bi n tính hoàn toàn ệ ượ đ t nóng ch a DNA b bi n tính hoàn toàn, các s i đ n th ố chúng và làm ph c h i chu i xo n kép ban đ u. Hi n t ỗ tính(renaturation).
t đ mà t i đó các s i DNA b bi n tính hay tách nhau m t n a đ nhi ợ ạ ị ế ệ ộ c g i là ọ ộ ử ệ ộ ộ ượ ế ữ ủ ể ng G-C c a DNA, nghĩa là đ c tr ng cho DNA m i loài. Ví d , DNA c a ượ ủ ặ ỗ ng GC c a m t DNA có th bi n thiên t ể ụ ể ế ừ ộ ư ủ ượ ở Mycobacterium phlei. ế t đ nóng Nhi ch yả (melting temperature), hay Tm. Tm là đi m gi a c a pha chuy n ti p và nó tùy thu c vào ủ E. coli v i 50%ớ hàm l G-C thì có Tm là 69oC. Nói chung, hàm l ở ố m c 22% nh yầ Dictyostelium đ n 73% 1. C s phân lo i acid nucleic ơ ở ạ
ng ribose và desoxyribose mà ng ườ i ườ ta chia acid nucleic ra D a ự vào s ự có m t ặ c a ủ đ làm hai l p.ớ
- Acid ribonucleic (ARN)
- Acid desoxyribonucleic (ADN)
Khi nghiên c u v hai l p ARN và ADN ng i ta th y chúng có m t s đi m khác bi ứ ề ớ ườ ộ ố ể ấ ệ t nh sau: ư
ARN ADN
- Ch y u t - Ch y u nhân t bào ủ ế ở ế bào ch t ấ ủ ế ở ế
ng phân t ử ấ ạ : 1 - 2.106 8 - c u t o ng phân t 2 - 3 .104 - 6 - Tr ng l ọ ượ ử - Tr ng l ượ ọ Chu i kép ỗ
- c u t o Chu i đ n - Ch a các g c ki m ấ ạ ỗ ơ ứ ề ố
ứ ề - Ch a các g c ki m Adenin (A) Guanin (G) Cytosin ố (C) Uracin (U) - Adenin (A) Guanin (G) Cytosin (C) Thi min (T)
- Đ ng: Ribose - Đ ng Desoxyribose ườ ườ
ứ ế ọ ứ ả ậ ọ - Ch c năng sinh h c: tr c ti p tham gia quá trình ự t ng h p protein ổ ợ - Ch c năng sinh h c: mang b n m t mã di truy n.ề
2. Tên g s ARN, ADN và liên k t hoá h c ọ ọ ế
Thành ph n hoá h c c a ARN và ADN ọ ủ ầ
ử ch a t i hàng ch c v n mononucleotid. Các mononucleotid n i v i nhau qua m ch liên ứ ừ 250 - 350 nucleotid, ố ớ ạ ạ ạ ườ ứ ủ ủ ng pentose v i acid phosphoric c a ớ Acid nucleic là ch t ấ trùng h p ợ c a ủ mononucleotid. Phân t có lo i ch a t ứ ớ ụ k t este gi a hydroxyl c a carbon th 3 c a đ ủ ữ ế mononuleotid bên c nh.ạ
ủ ự ủ ề ậ ố Acid nucleic đóng vai trò trong di truy n c a đ ng và th c v t, nó đóng vai trò ch ch t trong ộ vi c sinh t ng h p protein. ệ ổ ợ
Sau đây chúng ta s đi sâu nghiên c u t ng lo i acid nucleic ứ ừ ẽ ạ
3. Acid desoxyribonucleic (ADN)
ệ ượ ữ ạ i ta đi đ n k t lu n r ng ARN ch có c u trúc chu i đ n, còn ADN có c u trúc chu i kép ứ ậ ằ ố ệ ế ố ệ ấ ỗ D a vào s li u nghiên c u hi n t ng nhi u x tia R n-ghen và nh ng s li u hoá lý khác ự ng ế ườ ỉ (t c là do hai chu i polynuleotid k t h p v i nhau theo ki u xo n th ng). ế ợ ỗ ứ ơ ỗ ơ ể ễ ấ ớ ừ ắ
3.1. Quy lu t b sung g c ki m (qui lu t Chagaff) ố ậ ổ ề ậ
ị ượ ng ADN, Chagaff và các c ng s c a ông đã rút ra đ ộ ự ủ ượ ế c k t Khi phân tích đ nh tính và đ nh l ị lu n sau: ậ
- Hàm l ng tính theo m t c a Adenin b ng Thi min và Guanin b ng Cytosin. ượ ộ ủ ằ ằ
- T nh n xét (l) và (2) rút ra: t ng s g c ki m purin b ng t ng s g c ki m ố ố ố ố ừ ề ề ằ ậ ổ ổ
pyrimidin.
A + G =T+C
V m t hoá h c: hàm l ng nhóm 6 - quan b ng hàm l ng nhóm 6 - xe ton. ề ặ ọ ượ ằ ượ
ậ ượ ng, hai chu i nucleotid khi t o ra xo n kép s l ỗ ề c qui lu t b sung g c ki m nh sau: Trong đi u ề ố c n đ nh quanh nhau ẽ ượ ổ ậ ổ ắ ư ị ạ T ba k t lu n trên đây Chagaff đã rút ra đ ế ki n sinh lý bình th ườ b ng các l c liên k t thông qua các baz . ơ ế ừ ệ ằ ự
ế ỗ ẽ ộ ơ ẽ ữ ệ ấ ơ ấ ị ế ớ ị ế ớ ủ ủ ầ ở ỗ - Trong quá trình liên k t các baz c a hai chu i đ i di n thì m t chu i s góp baz phun, chu i ệ ỗ ố kia s góp baz pyrimidin, các baz liên k t v i nhau b ng liên k t pydrogen, xu t hi n gi a m t ộ ằ s v trí nh t đ nh ầ hai baz đ i x ng, đó là v trí: Nl c a ph n v i Nl c a pyrimidin C2 c a ph n ủ ố ị v i C2 c a pyrimidin C6 c a ph n v i C6 c a pyri údin ủ ớ ơ ủ ơ ơ ố ứ ầ ủ ư ủ ớ
- Liên k t hydrogen mu n xu t hi n ph i tho mãn hai đi u ki n: ế ệ ệ ề ả ả ấ ố
ộ ữ ằ ệ mang đi n tích (-) n m trong kho ng 2 - 4 A0. + Có m t nguyên t ử + Kho ng cách gi a các nguyên t ữ hydro mang đi n tích (+) n m gi a hai nguyên t ệ mang đi n tích (-). ệ ử ả ử ả ằ
T c ứ là liên k t ế hydrogen ch ỉ có th ể xu t ấ hi n ệ gi a ữ các c p ặ baz ơ ch n ọ l c ọ đ i x ng: ố ứ
Adenin v i Thi min ; Guanin v i Cvtosin ớ ớ
3.2. Mô hình xo n ADN ắ
ự ứ ế ả c u t o mô hình xo n ấ ạ ắ ADN vào năm 1953. Mô hình này đã đ ề D a trên các k t qu nghiên c u cho phép Crick và Watson đ ra i ạ trên c ơ sở c ượ ki m ể tra l
thí nghi m ệ v ề tia R n-ghen nh ng ữ ơ vì có nh ng đóng góp đó nên Crick, Watson và Wilkins đã đ c gi i th s ự c a ủ ông. Chính ng Nobel 1962. tinh vi h n ơ b i ở Willkins và c ng ộ ưở ượ ữ ả
ớ ự ấ ắ ộ ồ Theo Crick và Watson thì ADN g m hai dây polynucleotid v i c c trái d u nhau cu n xo n v i ớ nhau xung quanh cùng m t tr c và t o thành vòng xo n đôi. ộ ụ ắ ạ
ơ ằ ừ ầ ắ ộ Các baz n m trong vòng xo n thành t ng c p: pyrimidin trên m t dây và ph n trên dây đ i ố ặ x ng và ng ứ i. Ch m t ỉ ộ c l ượ ạ
s c p baz nh t đ nh phù h p: A đi v i T; G đi v i C (liên k t hydrogen). ấ ị ố ặ ế ơ ợ ớ ớ
0.
- M i vòng xo n dài 34 A0 ắ ỗ ch a 10 c p g c ki m ặ ứ ề ố
0
0
ộ ề ố ắ ố ứ ề ả - Đ dài m t c p g c ki m là 3,4 A ộ ặ - Bán kính vòng xo n 10A - Kho ng cách gi a hai g c ki m đ i x ng là 3A ố 3.3. Vai trò sinh h c c a ADN ữ ọ ủ
c nhi u tài li u ch ng t i ta đã thu đ ọ ỏ ằ ượ ườ ệ ệ ọ Ngày nay trong sinh h c, đ c ặ bi r ng ADN ứ ề là c s c u trúc c a nhi m s c th mang tính thông tin di truy n. t là trong sinh hoá h c và vi sinh h c, ng ọ ơ ở ấ ủ ể ễ ề ắ
bào ấ m m. ầ ế ấ ớ i ta th y ADN trong t ế ề trên polynucleotid có tác d ng nh bào thân l n g p đôi ADN t ụ ự s p ắ x p c a 4 ế ạ ủ ộ Th ứ t ư m t ậ mã di truy n. ề Khi c nầ tái t o, m t dây ị ứ ư ộ c ượ dùng nh m t ế ỗ Ng ườ g c ki m ố nguyên thu ỷ đ nucleotid, dây xo n đôi tách ra, liên k t hydro b đ t, m i dây khuôn m u đ t ng h p dây m i theo qui lu t b sung g c ki m ề ớ ắ ể ổ ậ ổ ẫ ợ ố
4. Acid ribonucleic (ARN)
ả ứ ự ấ ạ ổ ợ ượ ng) th ng c coi là ch t tham gia tr c ti p vào các ph n ng t ng h p protein. Lo i này ườ ươ ế ế bào ch t ấ (ch ủ y u ế ở nhân. Chúng th m t ộ s ố ở bào t ngườ ở ạ d ng ARN đ ở t t p ậ trung chu i búi ch r i. ỉ ố ỗ
ARN trong t ế bào chia làm 3 lo i: ạ
ng phân t ệ ườ ư 0,5 - 1,106, chi m 3 - 4% t ng s ARN, chúng đ ượ nhân t ử ủ c a bào trên ừ ế ạ ổ i đ a tin) Tr ng l ọ c t ng h p ợ ở ượ ổ ế ADN đây là khuôn th c p. 4.1. ARN thông tin: Ký hi u m - ARN im - messenger - ng lo i này t khuôn c a phân t ủ ố ứ ấ ử
ở ẽ ề ribosom, i v trí t ng h p protein ệ ế ụ ủ bào ch t và ti n t ấ ế ớ ị ậ ợ ở ở nhân s chui qua màng nhân ể ổ đó nó s làm khuôn m u đ t ng ẽ ẫ Nhi m v c a m - ARN mang b n m t mã di truy n hình thành ả ra t ổ h p nên protein. ợ
4.2. ARN v n chuy n: ậ ể Ký hi u t - ARN (t - transfer - v n chuy n) ệ ể ậ
t - ARN th ng bào, chi m kho ng 15% t ng s ARN. ườ ở tr ng thái hoà tan trong t ạ ế ế ả ổ ố
ượ ứ ả ồ ch c năng v n ậ ặ bào ch t đ n các ribosom. M t t - ARN ch v n chuy n đ c ộ ạ ấ ế ữ ỉ ậ ể Tr ng l ng phân t ọ chuy n acid amin ho t hoá t ể hi u m t acid amin t ng ng v i nó. th p kho ng 2 - 3 v n, g m kho ng 60 - 100 nucleotit, gi ử ấ ạ ươ ả t ừ ế ớ ứ ệ ộ
ồ ộ ư ạ ấ ạ i gi ng nh hình lá c ba thùy, có nh ng đo n do, các ấ ạ ắ ề ố ỗ ố C u t o: g m m t chu i polynucleotit g p khúc l ỗ xo n kép theo qui t c b sung g c ki m: A-U; G-X. ổ acid amin s đ ữ ự ribosom. c g n vào 3 g c ki m đó đ đ ố ố ỏ m t đ u chu i có 3 g c ki m t ở ộ ầ ị ở c ch vào v trí t ng h p protein ổ ể ượ ẽ ượ ắ ắ ề ở ề ợ
ứ ươ ớ ứ ng ng v i 20 acid amin. Các acid amin s k t h p v i t- ARN t ng ng ươ s p x p c a các acid ủ ừ ớ ứ ự ắ ế ồ ợ ổ ị ạ c m - ARN qui đ nh tr ạ ướ c. ị ệ ử lo i ạ này r t cao 1 - 2 tri u, chi m trên ệ ế ấ ổ ộ l ượ ạ 80% t ng s ARN. M t ribosom ả mà ph n ầ acid nucleic là ARN. Đ ng kính c a ribosom kho ng ườ ố ủ Có 20 lo i t - ARN t ẽ ế ợ ạ c a luôm, t o thành t ng lu ng đi vào v trí t ng h p protein mà th t ủ amin trong m ch peptid thì đã đ ượ 4.3. ARN ribosom: Ký hi u r .ARN Tr ng ọ phân t ng là m t h t nucleoproteid ộ 200A0.
ử đó s ẽ t o ạ thành m t nhà ộ ứ đ i ạ phân t đ ủ kh năng đ c b n ả máy vi mô di truy n ề trong m chạ ọ protein đã chu n b s n và có c u trúc ổ ch c hoàn ệ ự ả m t mã ậ ẩ ị ẵ d ng m t phân t ộ ử ấ vài ch c ngàn S ự t p ậ h p ợ c a ủ ch ng ừ ụ h o, có ch c, ắ có t v ng ữ ả mARN và th c hi n thông tin đó ở ạ đ c hi u. ệ ặ
Các DNA m ch vòng s i kép và s i
n ợ đơ
ợ
ạ
DT PHÂN TỬ
ữ ủ ể ừ ế còn có các b gene đ ộ ắ ạ ắ ự ế c t ượ ổ ệ sau khám phá quan tr ng c a Watson và Crick, cho đ n nay không nh ng đã phát hi n ứ ch c
h u h t các b gene prokaryote, b gene m t s virus và b ộ ế ặ ở ầ bào eukaryote (các phân t ạ ế ử b gene RNA ở ở ủ ữ ợ ế ủ vi khu n; và ẩ ộ DNA ty th và l p th ); ể ề ộ ể ư ớ ậ ả ề ể ế c a nhi u virus ký sinh ộ ủ ầ ệ ệ nucleic acid: ạ ậ
ượ ậ ậ ả ấ ấ ạ ươ ụ ự ế ặ ớ ợ ế ự ế ợ ế n đ nh b ng các t ị ư ươ ượ c a các nucleic acid đ ự ế ư ằ pi (p) trong các vòng. Các m i c gi ữ ổ ệ ử ấ ủ ư ố t ượ
ữ dsDNA). Các c u trúc b c hai trong RNA, v n t n t ệ ụ đ sinh ra các phân t ử ể ậ ấ ợ ồ ạ ợ
ố ng tác base n i trong phân t ộ ố ươ ấ ỷ ở ạ . ử ự k t c p base b ặ ủ ế ấ ỗ ọ ặ ơ ở ủ ươ ậ ấ ồ ầ ắ ứ ị ư ể ế ạ ng t ự ớ ấ ư ế ả ắ ữ ặ ắ ơ ổ ơ ồ ế ặ ọ ế ặ ế ệ
ậ ạ ế ấ ế ư ế ế ủ ế ắ ấ ề ạ ế ấ ặ ố ấ ỗ các c p linh ho t ấ ơ ở ổ ủ ặ ặ ầ ộ ự ử ấ ổ ỗ ụ ề ẻ ấ ấ ộ ổ ế ư trên. M t đ c đi m khác n a đó là ể ạ ề ậ ở ế ẻ ư ấ ề i ộ ặ ự ạ ụ ặ ổ ệ ấ K t ọ thêm các d ng DNA xo n ph i và xo n trái, mà trên th c t ả theo nh ng th th c khác, đó là: ể ứ ộ DNA s i kép d ng vòng có m t ộ ố ạ ợ ơ ể DNA s i đ n bào ch t c a các t gene t ấ ủ ự các th c vòng c a m t s virus ký sinh ộ ố ộ v t và đ ng v t. Đáng k là các virus RNA gây ung th , HIV/AIDS và các virus thu c h corona ọ ậ ậ gây viêm ph i c p (SARS) v i nhi u bi n th có kh năng lây lan sang nhi u v t ch khác nhau ổ ấ ề và có nguy c làm xu t hi n n n đ i d ch trên ph m vi toàn c u hi n nay. ạ ị ấ ạ ơ v các b c c u trúc c a các * Th o lu n thêm ủ ấ ề ậ 1- C u trúc b c m t ộ c a nucleic acid là các chu i polynucleotide; ủ ỗ ả ồ ng tác không ph i đ ng c sinh ra b i hai lo i t 2- C u trúc b c hai ở ủ (base stacking). S k t c p base liên (base pairing) và s co c m base hoá tr :ị s k t c p base ự ế ặ ớ quan v i các liên k t hydro và là l c chi m u th khi n cho các s i nucleic acid k t h p v i ế ng tác hydrophobic gi a các base k sát nhau, nh ng c u trúc đ ấ ữ ề c mô t p-p này đ ng tác nhau mang l ả i b ng các đi n t ươ ạ ằ ượ ự ế ặ nh là các l c kéo co c m base. C u trúc b c hai c a DNA đ c đ c tr ng b ng s k t c p ậ ằ ư ặ ự s i kép hay s i đôi (double-stranded or duplex; ký base gi a các phân t ử ợ ơ d ng s i đ n i nguyên thu hi u là (single-stranded form), nói chung ph n nh các m i t ả ả ổ * Trong c u trúc c a các chu i xo n kép DNA, quan tr ng nh t là s ắ này (Watson-Crick sung (complementary base pairing) A-T và G-C. Các c p base Watson-Crick ng tác c u trúc b c hai trong các nucleic acid, base pairs) t o thành c s c a h u h t các t ạ ế cũng nh gi ờ xác đ nh cách th c DNA có i thích cho các quy t c Chargaff, và chúng đ ng th i ư ả th ho t đ ng nh là cái khuôn cho tái b n và phiên mã... Trong RNA, uracil thay th cho ộ ả ế v i thymine và hình thành các liên k t thymine, nh ng vì uracil có c u trúc hoá h c t ọ ươ ư hydro v i adenine y nh th , c hai nucleic acid lai theo cùng các quy t c chung. Tuy nhiên, vì ớ các m i t ng tác này có m t kh p n i, nên có nh ng s đ k t c p base bi n đ i đôi chút so ố ươ v i các ki u k t c p Watson-Crick; chúng đóng các vai trò quan tr ng trong vi c hình thành các ể ớ c u trúc b c hai và b c ba. ậ ấ ứ * Cho đ n nay, bên c nh các c p base Watson-Crick chi m u th trong các c u trúc và ch c ặ i ta th y có 28 cách s p x p kh dĩ c a ít nh t hai liên k t hydro năng c a các nucleic acid, ng ủ ả ườ ng tác. Có ý nghĩa đáng gi a các base; đi u này cung c p c s cho m t nhóm đa d ng các t ữ ươ ấ ộ (Hoogsteen base pairs), k nh t trong s các c u hình bi n đ i này là các c p base Hoogsteen ấ ể v n góp ph n vào c u trúc b c ba c a tRNA và cho phép hình thành các chu i xo n ba (triple ậ ắ ố helices). M t s s a đ i so v i các c p base Watson-Crick là ạ (wobble pairs). ớ : Bên c nh c u trúc ắ và tính m m d o c c b trong c u trúc DNA c u hình chu i xo n * V các ạ ề DNA s i kép (dsDNA) d ng B ph bi n do Watson và Crick đ a ra năm 1953, còn có các d ng ạ ợ ộ (local tính m m d o c c b bi n đ i khác nh đã đ c p ề ổ ữ ề t m m flexibility) trong c u trúc DNA. Nhi u th c nghi m đã cho th y r ng DNA d ng B đ c bi ạ ệ ấ ằ các d ng có c u hình c ng nh c mà có th thay đ i m t cách d o linh ho t, nó không t n t ộ ể ắ ồ ạ ở ạ ng đa hình c c b gây ra, ch ng h n uy n chuy n gi a các c u hình khác nhau do các hi n t ẳ ộ ứ ệ ượ ẻ ể ạ ể ữ ụ ấ
ộ ậ ư hoán chuy n chu i xo n ể ắ (helical transitions) n i trong m t phân t i gi a các d ng B và Z đã nói ở ạ ể ữ ỗ ạ ở ả ả ứ ự i theo th th c nào đó (ví d ạ ế ắ ượ ể và cho tái b n, tái t ể ử ộ trên). DNA cu n g p cũng có ậ ộ ụ ự ầ c c m ng b i các protein và t o vòng (circularization). Vi c cu n l i do c m ng c n ả ứ ộ ạ ệ h p và phiên mã . Các ổ ợ ụ ứ ở ể ậ c cu n l ộ ả ạ t cho s đóng gói DNA trong các nhi m s c th ễ t DNA đ ậ t các kh i đi m tái b n). ể ế
ộ ậ ấ ử ượ ấ ợ ơ c xác đ nh b ng ị ộ ạ ự ế ặ ề ế ợ ằ s k t c p base n i phân t ể ợ ể ữ ữ ủ ự ế ặ ị ả ệ ấ ể ả ị ự ế ọ ệ ế ủ ậ ự ế ặ ấ ộ ủ ươ c a các nucleic acid ph n nh các m i t ề ng tác gi a các s i đ n và các y u t ả ả ề ữ ố ươ ồ ợ ơ ầ ế ng tác gi a các y u t ữ ế ố ấ t toàn ế ố ấ c u c u trúc b c hai, và ậ
ng tác b c ba có liên quan t ươ ợ ậ ớ ữ ậ ợ ố ươ ữ ợ ớ ố ạ ể ể ủ ng tác s i b c ba trong DNA: ợ ơ ợ ấ ộ b b n base ộ ố ạ ứ ấ ể ộ ạ ủ ử ệ ộ
ấ vòng R (R-loop) t o thành khi RNA đ ạ ạ ượ ạ ượ ả ồ ờ c phiên mã t c g i là các ọ i ch ( ỗ in situ), x y ra ch ng h n trong khi m i hoá cho tái b n ậ ẳ ỗ ố ố ợ
: Vi c RNA cu n l ứ ạ ệ ấ ậ c c đ nh t ố ị ấ h p . ổ ợ ng tác s i b c ba trong RNA ợ ậ ậ ươ ữ ợ ạ ủ ộ ỗ ố c n i v i nhau) và các i thành các c u trúc ph c t p có dính ộ ạ ng tác b c ba gi a các s i, các vòng (loops) và các s i đôi. Ví d , trong tRNA có (stem ả (pseudo- ắ ố ớ ỗ ượ ặ ợ ề ớ ử ầ ọ ế ắ ệ ở ng tác v i các vòng thân - stem loop). DNA có các đ u mút t ấ ư ủ m ch th ng) thì hai s i m xo n quanh nhau theo cách ti n ích nh t v ử ạ ng và phân t c ử c bi n đ i b ng cách c t m vòng, ch c coi là đ ự ổ ằ ặ ạ ắ ở ỉ ượ ư ả ằ ế ế c t o ra thông qua s do và nó ch đ ế ể ượ ạ ắ ắ ụ ắ ắ ỗ ủ ắ ấ ủ ị ườ ự ắ ạ ọ ế ề ị ắ ư ậ ch DNA không b bó ch t thì th ỏ h p, DNA siêu xo n l u gi ư ng đ đi u khi n các ph n ng này. năng l ể ể nh DNA có th u n g p và ể ố đ n (ví d s hoán chuy n qua l ơ th đ ể ượ thi ế protein cũng có th nh n bi các topoisomerase nh n bi : Trong RNA và các vùng DNA * C u trúc b c hai trong RNA và DNA không thu c d ng s i đôi ậ . C u trúc b c hai s i đ n, c u trúc b c hai đ ậ ấ ụ ự ế ặ trong RNA đóng vai trò chính y u trong bi u hi n gene và đi u hoà c a nó. Ví d : s k t c p ệ base gi a rRNA và mRNA ki m soát vi c kh i đ u t ng h p protein; s k t c p base gi a tRNA ở ầ ổ (RNA hairpin loop) và các vòng k p tóc trong RNA và mRNA x y ra trong d ch mã; các c u trúc ẹ thân (stem loops) ki m soát s k t thúc phiên mã, hi u qu d ch mã và s n đ nh c a mRNA; ự ổ ủ ị ệ và s k t c p base RNA-RNA cũng đóng vai trò quan tr ng trong vi c tách b các intron. ỏ 3- C u trúc b c ba ng tác góp ph n ki n thi b hình dáng ba chi u c a DNA và RNA. Đi u này bao g m các t trúc b c hai khác nhau, các m i t ậ ố ươ các đ c đi m hình th c a các nucleic acid. ặ Trong DNA, các m i t ớ ự i s * Các t ế ng tác gi a các s i đ n v i các s i đôi ho c t t ng tác gi a các s i đôi v i các s i đôi, k t ặ ươ ươ qu là t o thành các c u trúc b ba và b n s i (triple and quadruple strand structures). Các ợ ả (base tetrads), và các DNA ch a các lo t g c guanine có th hình thành các ố ể telomere . guanine có th t o thành các c u trúc b b n mà t đó có th góp ph n vào c u trúc ộ ố ầ ấ ể ạ ừ ắ Ví d ,ụ DNA d ng H xu t hi n trong các đo n b t là m t d ng c a DNA b ba s i n i phân t ợ ộ ạ ấ ạ ta hãy hình c p homopurine/homopyrimidine và có liên quan các c p base Hoogsteen. Bây gi ặ ặ ừ dung các c u trúc b c ba đ ượ ả ở DNA s i kép đ ợ plasmid ColE1. Các c u trúc b c ba b n s i, các ch n i trong mô hình Holliday, cũng hình thành trong khi tái t * Các t ươ i các t dáng t ợ ụ ớ ch n i ph n thân các ví d v các b ba base, các đo n c a chu i xo n ba, các ầ ụ ề m u gi junctions; trong đó hai ho c nhi u vùng s i đôi đ ấ i đó các s i t koots; t ợ ươ ạ ự * Đ i v i các đ c đi m c u trúc hình h c c a DNA, n u nh các phân t ể ặ ố ớ ấ ề do (ví d m t phân t ợ ẳ ụ ộ ượ giãn xo nắ (relaxed). Tuy nhiên, trong các DNA đó đ m t năng l ượ ượ ứ m ch vòng, không có các đ u mút t ế ầ d ng vòng khép kín ti n hành tháo không ph i b ng cách làm bi n d ng nó. N u nh DNA ở ạ ạ ự siêu xo n thì cách duy nh t đ làm giãn xo n ki u v n xo n nh v y đ ấ ể ặ ư ậ c đ a vào trong chính tr c chu i xo n. Tr ng i đó m t s v n xo n đ xo nắ (supercoiling), t ạ ạ ượ ộ ự ặ thái siêu xo n là m t d ng khác n a c a c u trúc b c ba c a nucleic acid. Ý nghĩa sinh lý h c ọ ộ ạ ữ ng không có ho t tính sinh h c. Tr ng c a s siêu xo n là ạ ặ ở ủ ể thái siêu xo n ngh ch t t y u, nh : tái b n, phiên mã và k t cho nhi u quá trình thi ả ế ế ắ các c tái t ượ ổ ợ Ở ả ứ ề ả ượ c eukaryote v n ch a các nhi m s c th m ch th ng, các vùng bó ch t v m t không gian đ ẳ ố ỗ ra c n thi ầ ắ ư ắ ễ ữ ể ạ ặ ề ặ ứ
c c đ nh b i các ch c chromatin thành các vòng v i các đ u mút đ ổ ớ ầ ầ ắ ứ ượ ố ị ắ ư ị ng tác ủ ỡ ậ ề ấ ấ ậ ố ng tác v i m t s l ớ ộ ố ượ ươ ế ố phiên mã, các enzyme, các nhân t ể ộ ộ ụ ấ ắ t trong DNA và t ế ạ ậ ắ ạ
b t đ u b ng cách t ở ằ protein ch ng đ ; các nucleosome đ a các cu n siêu xo n ngh ch vào trong DNA eukaryote. ộ ố ở ố c a các nucleic acid: Trong nhi u c u trúc, các nucleic acid t 4- C u trúc b c b n ươ ấ trans (ví d , ribosome và spliceosome), và đây có th xem là b c b n c a c u trúc c u hình ể ủ ụ ấ nucleic acid. Các nucleic acid cũng t ng l n các protein (ví d , các protein ụ ớ splicing). Khá nhi u các protein c u trúc b gene, các y u t ề ố ấ i h n EcoRI có này gây m t tác d ng đáng k lên c u hình DNA và RNA. Ví d enzyme c t gi ớ ạ ụ th bám vào đo n nh n bi đó phát huy ho t tính c t bên trong s i... ợ ể Thành ph n hóa h c c a DNA ừ ọ ủ
ầ
DT PHÂN TỬ
ự ủ ứ ậ ồ ề ứ ụ ả ủ ệ ầ ọ Năm 1944, Oswald T. Avery và các đ ng s c a mình ch ng minh DNA là v t ch t mang thông ấ ắ tin di truy n, ch không ph i protein. Đ n năm 1949, Erwin Chargaff áp d ng ph ng pháp s c ươ ế ký gi y vào vi c phân tích thành ph n hóa h c c a DNA các loài khác nhau (B ng 1) đã khám ả ấ phá ra r ng:ằ
B ng 1 Thành ph n base c a DNA m t s loài ả ủ ầ ở ộ ố
A% T% G% C% Sinh v tậ
Phage lambda 21,3 22,9 28,6 27,2 1,00 0,79
Phage T7 26,0 26,0 24,0 24,0 1,00 1,08
15,1 14,6 34,9 35,4 1,00 0,42 Mycobacterium tuberculosis
24,7 23,6 26,0 25,7 1,03 0,93 Escherichia coli
25,0 24,9 25,1 25,0 1,00 1,00 Aspergillus niger (n m m c) ấ ố
31,3 32,9 18,7 17,1 1,00 1,79 Saccharomyces cerevisiae
27,3 27,1 22,7 22,8 1,00 1,19 Triticum (lúa mỳ)
26,8 27,2 22,8 23,2 0,98 1,17 Zea mays (ngô)
29,7 29,1 20,8 20,4 1,02 1,43 Salmo salar (cá h i)ồ
29,5 27,7 22,4 20,4 1,08 1,34 Gallus domestica (gà nhà)
30,9 29,4 19,9 19,8 1,01 1,52 Homo sapiens (ng i)ườ
(i) S l ng b n lo i base trong DNA là không b ng nhau; ố ượ ạ ằ ố
ng đ i c a các base là không ng u nhiên; và trong t ố ủ ẫ ấ ả ẫ ng quan v hàm l ng (%) gi a các base nh sau: A ≈ T và G ≈ C, nghĩa là t ề ượ ư ữ ứ t c các m u DNA nghiên c u ỷ ố s t (ii) T l ỷ ệ ươ t n t i m i t ố ươ ồ ạ (A+G)/ T+C) ≈ 1; và
(iii) M i loài có m t t l (A+T)/(G+C) đ c thù ộ ỷ ệ ỗ ặ
Các d ng DNA xo n ph i và xo n trái ắ
ắ
ả
ạ
DT PHÂN TỬ
là c u trúc ph bi n. Tuy nhiên, sau này ng ổ ế ấ ộ ố ế ườ ớ ạ ả ề ạ ắ ổ Mô hình Watson-Crick hay DNA d ng B i ta còn phát hi n ra nhi u d ng xo n ph i khác (A, C, D...); chúng có m t s bi n đ i so v i DNA-B ệ (xem B ng 1). ả
DNA d ng B DNA d ng Z DNA d ng A ạ ạ ạ
t di n c t ngang c a chúng ạ ế ủ ệ ắ ị ố ủ ạ ấ ạ ộ ặ ả ự ệ ồ ạ ắ ấ ế ắ ữ ữ ề ậ ố ộ ố ớ ứ ạ ặ ắ ề ặ ủ ỗ ơ ị ẹ ạ ắ ầ ắ ỗ ớ Hình 1 Các mô hình DNA d ng A, B và Z ( hình trên) và thi cho th y v trí phân b c a m t c p base. ộ Bên c nh các d ng DNA xo n ph i, Alexander Rich và đ ng s (1979) còn phát hi n thêm m t d ng DNA xo n trái duy nh t cho đ n nay. D ng DNA này có b khung hình zigzag (nên g i ọ ạ ắ làDNA-Z, và cũng là ch cái cu i cùng trong b ng ch cái Latin) u n g p khúc theo chi u xo n ả o ch a 12 c p base. Nhìn chung, so v i DNA d ng B, DNA-Z dài và trái, m i vòng xo n dài 45,6A ậ g y h n, các rãnh l n b d t ra ph n b m t c a chu i xo n; còn DNA d ng A ng n và to m p h n (Hình 1 và B ng 1). ầ ơ ả
ữ ủ ứ ẽ ế ắ Nh ng vùng nào c a DNA có ch a các purine và pyrimidine s p x p xen k nhau trên m t s i ộ ợ thì có th ti p nh n c u hình DNA-Z, ví d : ụ ấ ể ế ậ
5'--GCGCGCGC--3'
3'--CGCGCGCG--5'
c t o thu n l ự ặ ủ ượ ạ ậ ợ ở ự ở ạ đông h c và vì v y nó có th ị ử ậ ộ ọ ộ ấ ự ế ổ ừ ạ ể ể ế ự ự ề ấ ặ ợ bào s ng l i b i s có m t c a 5-methylcytosine và b i tr ng thái ể bào. d ng B sang d ng Z có liên quan đ n s đi u hoà bi u hi n gene. ư ấ ề ậ nh song ch c năng c a nó v n còn ch a th t ủ ứ ở ộ ỷ ệ ng nh ư ế ẫ ỏ ố
S chuy n đ i này cũng đ ể ổ siêu xo n ngh ch (negative supercoiling). DNA là m t phân t ắ m t c u hình này sang m t c u hình khác d a trên các l c bên ngoài trong t chuy n t ể ừ ộ ấ Có th là s chuy n đ i t ệ ạ ự ể M c dù Rich khám phá DNA-Z khi nghiên c u v các h p ch t mô hình, c u trúc này d ứ ườ cũng có m t trong các t m t t ặ s hi u rõ. ự ể B ng 1 ộ ố ặ ả M t s đ c đi m chính c a các DNA d ng A, B, C và Z ủ ể ạ
D ngạ Chi u xo n ắ ề S bp/vòng xo n ắ ố Đ ng kính chu i xo n ắ ườ ỗ
A 11,0 Ph iả 23Ao
B 10,0 Ph iả 19Ao
C 9,3 Ph iả 19Ao
Z Trái 12,0 18Ao
internet). V chi ti t, có th xem trong Watson et al (1987, tr.249) và ề ế ể
*Ngu nồ : J.Kimball (t ừ Twyman (1998; tr.229). C u trúc chu i xo n kép DNA
ỗ
ắ
ấ
DT PHÂN TỬ
ấ ề ệ ủ ứ ễ ạ ượ ụ ấ ộ ố ắ ồ ỗ ằ c b t đ u b i Maurice Wilkins và Rosalind Franklin. Các b c nh ch p đ ứ ả ở có c u trúc xo n g m hai ho c ba chu i. Lúc này ở ể ể ễ ằ ấ ặ ế ạ ủ chu i xo n kép i pháp đúng đ n nh t là ể ắ ư ắ ả ấ ỗ ổ ố ệ ớ ủ ự ư ủ ể ặ ờ ở ớ Vào năm 1951-52, vi c nghiên c u c u trúc ba chi u c a DNA b ng phân tích nhi u x tia X c 1952 (hình 1) đ ắ ầ ượ Anh còn có m t s nghiên g i ý r ng DNA ằ ợ c u khác nh m phát tri n lý thuy t nhi u x c a Linus Pauling đ tìm hi u c u trúc DNA. Tuy ứ b sung do Watson và Crick đ a ra năm 1953 nhiên, gi (Hình 2 và 3). Mô hình này hoàn hoàn toàn phù h p v i các s li u c a Wilkins và Franklin cũng ợ nh c a Chargaff. S ki n này m ra m t b ớ ố c ngo t m i cho cho s ra đ i và phát tri n v i t c ộ ướ ự ệ . đ nhanh chóng c a di truy n h c phân t ử ủ ề ọ ộ
b)
ể ằ ụ ấ Hình 1 R.Franklin (trái) và M.Wilkins; và (b) nh ch p c u trúc DNA tinh th b ng tia X c a ủ Ả Franklin.
(a) (b)
Hình 2 (a) J.Watson (trái) và F.Crick; và (b) Mô hình c u trúc tinh th DNA. ể ấ
ỗ ấ ắ Hình 3 Các mô hình c u trúc chu i xo n kép DNA. 1. Mô hình Watson-Crick
Mô hình Watson-Crick (DNA d ng B; Hình 3) có các đ c đi m sau: ể ạ ặ
o (1Angstrom = 10-10m), g m nhi u vòng xo n l p l ồ o, ng v i 10
ộ ố ụ ả ắ ề ề (antiparallel) cùng u n quanh m t tr c trung tâm theo ộ i m t t là (base pair, vi c p base ắ ề ứ ỗ đ i song song ố ng kính 20A ỗ ắ ặ ạ t t ế ắ ặ ớ
o.
ng-phosphate phân b ố ở ặ ằ ở ườ ỗ bên ử ớ , v i ớ ụ ữ ẳ ặ ẳ ớ ả (v n là l c hóa h c y u) đ ượ ự ế ằ ọ ớ ố liên k t hydro ế ổ ợ ơ ữ ố ộ ố c hình ụ ể "m t purine - m t pyrimidine". C th ộ ớ i hai ki u k t c p base đ c thù là A-T (v i hai liên k t hydro) và G-C (v i ế nguyên t c b sung ắ ặ ế ặ ớ (1) DNA g m hai chu i ồ chi u xo n ph i, v i đ ớ ườ cách đ u đ n và chi u cao m i vòng xo n là 34 A ề ặ bp). (2) Các b khung đ m t ngoài chu i xo n và các base n m ắ ộ trong; chúng x p trên nh ng m t ph ng song song v i nhau và th ng góc v i tr c phân t ế kho ng cách trung bình 3,4 A (3) Hai s i đ n g n bó v i nhau b ng các m i ắ thành gi a các c p base đ i di n theo ệ ặ là, trong DNA ch t n t ể ỉ ồ ạ ba liên k t hydro) (Hình 3 và 4). ế
ự ề ế ẫ (4) Tính ch t b sung theo c p base d n đ n s b sung v trình t c a m i chu i xo n kép. Vì v y, trong b t kỳ m t phân t ủ các base gi a hai s i đ n ợ ơ ữ ủ DNA s i kép nào ho c m t đo n c a ạ ấ ổ ỗ ự ổ ộ ặ ậ ử ắ ặ ấ ộ ợ ỗ
nó bao gi cũng có: A = T và G = C; nghĩa là: [A + G] = [T + C] hay (đây là t ờ ỷ ố ữ s gi a
lỷ ệ ự ặ ấ là đ c thù cho t ng loài (th c ch t ừ gi a hai base không b sung cho nhau ho c gi a hai base cùng nhóm, ví d A/G ữ ỷ ệ ữ ụ ặ ổ các base purine và các base pyrimidine), còn t đây là t l ho c T/C). ặ
ấ ả ắ ỗ i m t cách tho đáng các k t qu nghiên c u c a Chargaff (1949). Vì v y ng ủ ả ườ ứ ế ậ ủ quy t c Chargaff (Chargaff's rules). Nh v y, mô hình c u trúc chu i xo n kép c a Watson-Crick (1953) hoàn toàn tho mãn và cho ư ậ phép lý gi i ta ả ả g i các bi u th c A = T và G = C là các quy lu t hay ể ộ ứ ắ ậ ọ
base s i b sung khi ủ ể ổ ị ự ở ợ ổ Theo nguyên t c b sung c a các c p base, ta có th xác đ nh trình t bi ắ c trình t base c a m t s i đ n. Ví d : ụ ặ ộ ợ ơ t đ ế ượ ự ủ
S i cho tr c: ợ ướ 5'- AATTCTTAAATTC -3'
S i b sung: 3'- TTAAGAATTTAAG -5' ợ ổ
ủ ố ớ ằ C ế ế ạ ấ ng và phosphate c chi u ể ặ C p AT n i v i nhau b ng hai liên k t hydro và c p ặ ử 1' đ i di n cho v trí ng ch m: ---). Các nguyên t ị ệ ườ m i c p nucleotide. ấ ấ ượ ự phân c c ng i, hai đ c đi m quan tr ng nh t trong c u trúc DNA là s ặ ổ ơ ố ề ở ấ ử ả ị i d ng các kênh truy n thông tin di truy n trong t ổ ủ c p đ phân t ộ ề ả ướ ạ ể Giáo lý hay Lý thuy t trung tâm, ề c a hai ủ ự c a các c p base (A-T và G-C). Đây là hai (tái b n, phiên mã và d ch ế ; Hình 5) c g i là ọ ế ề Central Dogma, c a Sinh h c phân t ủ ử ọ Hình 4 Hai ki uể k t c p base c a DNA. ế ặ GC - ba liên k t hydro (bi u th b ng các đ ể ị ằ c a đ ở ỗ ặ ườ ủ Tóm l ọ ặ ạ nguyên t c b sung s i đ n (5'→3' và 3'→5') và ắ ợ ơ nguyên lý căn b n chi ph i các c ch di truy n ế mã), mà ta có th hình dung t ng quát d bào (đ ượ sau đây:
Hình 5 Lý thuy t trung tâm c a Sinh h c phân t ủ ọ ế ử
ấ ạ ủ t c các h ề ầ ệ ố ớ ấ ả ấ ả ớ ọ ộ t d ch c a Lê Đình L ủ ả ệ ị ủ ờ ng Nobel năm 1962. i th DNA, Lawrence Bragg - Giám đ c Phòng thí * V t m vóc vĩ đ i c a phát minh c u trúc phân t ử ệ nghi m Cavendish (England) - đánh giá r ng: "S phát minh ra c u trúc DNA v i t ằ ự qu sinh h c c a nó là m t trong các s ki n khoa h c to l n nh t c a th k chúng ta..." ế ỷ ấ ủ ự ệ ọ (Watson 1968, b n Vi ng và Thái Doãn Tĩnh, Nxb KH-KT tr.9). Nh phát ươ minh vĩ đ i đó, Watson và Crick cùng chia x v i Wilkins gi ẻ ớ ưở ả ạ
ạ ậ ậ ấ ằ ấ ả ố ề ề ạ ọ ộ ng và không bình th ườ ộ ỉ ử ệ sau ngày g i đăng. i ta th y r ng Watson và Crick đã công b phác th o v mô hình c u trúc DNA Th t v y, nhìn l Nature Vol. 171, trong bài báo nhan đ "A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" trên t p chí trang 737 ngày 25-4-1953 (C http://www.nature.com/). Đây là m t bài báo khoa h c kinh đi n r t ể ấ ữ ớ ỏ ng tý nào! M t cách chính xác, bài báo này ch dài 900 ch v i v n n t ấ ượ v n 128 dòng, nh ng đ ng sau m i dòng là c m t l ch s khoa h c kỳ di u, m t câu chuy n ệ ả ộ ị ư ẹ thú v . Bài báo này đ ư ọ ằ c công b r t nhanh, ch a đ y m t tháng k t ể ừ ỗ ố ấ ộ ở ượ ầ ộ ị
ỏ ố ọ ự ế ư ủ ớ , Crick mu n làm sáng t ư ậ ậ ộ ữ ả ệ ạ ẳ ộ ậ ở ể ợ ậ ứ ấ ằ ắ ả ượ ế ặ ậ ặ ề ế ả ấ
các hàm ý sinh h c c a mô hình này, nh ng Watson thì Trên th c t ch ng hài lòng v i cách làm nh v y. Hai ông đã tho thu n trong m t câu mà nó đã tr thành c vĩ đ i trong tài li u khoa h c: "Chúng ta không th không m t trong nh ng câu nói gi n l ọ ộ nh n th y r ng nguyên t c k t c p base đ c thù mà chúng tôi nêu lên ngay l p t c g i ra m t c ch sao chép kh dĩ cho v t ch t (di truy n) nói chung". ["It has not escaped our noticed that ơ the specific base pairing we have proposed immediately suggests a possible copying mechanism for the general (genetic) material."].
1953. Hình 6 Mô hình tái b n c a DNA do Watson g i ý t ủ ả ợ ừ
ợ ợ ầ ủ ả ự ỉ b sung ợ ổ ủ ư ế ự ợ ệ (complement) c a s i kia, nên hai s i có th đ ộ ợ ằ (semiconservative replication) nh th s ơ DNA con t o ra có c u trúc gi ng h t DNA cha m , và qua đó các t ệ ử ả ạ ẹ i sao con cái th i thích đ ố ứ ố ự ả ự c hai phân t ượ ẽ ẹ ố ể ả ự ượ ằ ự ệ ể ể ạ ươ ượ ế ẳ ậ ệ ẹ ệ ờ ư ậ ự ế , hay "Cách gi ự ả ồ ạ ả ẹ ữ c gì t đi u này? Và b n có th h c đ ạ ỏ ề ể ọ ượ ừ ể ạ ơ ế i trên th c t " ả . B n có th làm sáng t ớ ề ạ c t ượ ạ ắ ủ ng 5). c nh ng nh n đ nh s c s o ả i sao Watson l ạ ư ắ ị ữ t ạ "M t c u trúc tuy t đ p nh th , l ư ế ẽ ự ẳ ả i quy t đúng không nh ng ph i đ p mà còn ph i ế ả bài báo kinh đi n c a ủ ể Naturengày đ c đáo c a Tom Zinnen (2004) v bài báo L i bình ừ ờ ủ ề ộ
ộ ơ Nh câu nói đ y khêu g i này đã ch rõ, mô hình c a Watson và Crick qu th c g i ra m t c c ch sao chép cho DNA. Vì m t s i là ể ượ ộ ợ tách ra và m i s i sau đó có th dùng làm khuôn (template) cho vi c xây d ng nên m t s i m i ớ ể ỗ ợ ư ế ẽ ế tái b n bán b o toàn c p v i nó (Hình 6). B ng c ch ả ớ ặ ế đ m b o đ ấ ả ả ng ườ bào sinh ra s ch a các gene gi ng nhau; nghĩa là có th gi gi ng cha m . Qu th c đây là s tiên đoán thiên tài mà s đúng đ n c a nó đã đ ứ c ch ng minh b ng các th c nghi m khác nhau ch sau đó vài năm (xem ch ỉ i đ a ra đ Đ n đây h n là chúng ta có th hi u t tuy t v i và c c kỳ chính xác đ n nh v y, ch ng h n: ộ ấ nhiên là ph i t n t đ n gi n" Watson và Crick v i nhan đ "A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" trên t p chí 25-4-1953 (C http://www.nature.com/) và t khoa h c này (C ọ ắ Thành ph n hóa h c và c u trúc c a chu i xo n http://www.accessexcellence.com/ )? ọ ầ
ủ
ỗ
ấ
kép DNA
DT PHÂN TỬ
ủ ọ ng (%) gi a các base nh ứ ẫ ậ ữ ượ (A+T)/(G+C) đ c thù. Năm 1949, E.Chargaff qua phân tích thành ph n hóa h c c a DNA các loài khác nhau đã k t ế ầ ư lu n: (i) Trong các m u DNA nghiên c u có m i t ố ươ sau: A T và G C, nghĩa là (A+G)/ (T+C) 1; và (ii) M i loài có m t t ỗ ng quan hàm l l ộ ỷ ệ ặ
C u trúc các chu i polynucleotide c a DNA và RNA. ủ ấ ỗ
ệ ứ ể ủ ượ ễ ằ ả ằ ỗ ắ ặ ắ ả ồ ỗ ắ ố ệ ụ ấ ợ ư ủ ở c b t đ u b i Vi c nghiên c u c u trúc tinh th c a DNA b ng phân tích nhi u x Reuntgen đ ắ ầ ạ ấ năm 1951. Các nh ch p g i ý r ng DNA có c u trúc Maurice Wilkins và Rosalind Franklin t ấ ợ ừ i pháp đúng đ n nh t là chu i xo n kép do James xo n g m hai ho c ba chu i. Tuy nhiên, gi Watson và Francis Crick đã đ a ra năm 1953 . Mô hình này phù h p v i các s li u c a Wilkins - ớ Franklin và Chargaff.
o, ng v i 10 c p base (base pair, vi ng-phosphate phân b
o.
ồ ụ ề ề ề ặ ồ ắ ỗ ớ ườ ắ ỗ ố ng kính 20A ớ ứ ố o, g m nhi u vòng xo n l p l ắ ặ ạ t t ế ắ ặ ố ở ặ ằ ở bên ử ớ , v i ớ ụ ữ ẳ ẳ ặ ớ ề (1) DNA g m hai chu i đ i song song (antiparallel) cùng u n quanh tr c trung tâm theo chi u i m t cách đ u đ n và chi u cao xo n ph i, v i đ ộ ả t là bp). m i vòng xo n là 34 A (2) Các b khung đ m t ngoài chu i xo n và các base n m ắ ỗ ườ ộ trong; chúng x p trên nh ng m t ph ng song song v i nhau và th ng góc v i tr c phân t ế kho ng cách trung bình 3,4 A ả
ắ ợ ơ ế ớ ố ặ ượ ỉ ồ ạ ệ ắ ổ ố c hình thành gi a các c p base ữ ặ i hai ki u k t c p base đ c ế ặ ể (3) Hai s i đ n g n bó v i nhau b ng các m i liên k t hydro đ ằ đ i di n theo nguyên t c b sung . C th là, trong DNA ch t n t thù A-T (v i hai liên k t hydro) và G-C (v i ba liên k t hydro). ụ ể ớ ế ế ớ
ấ ổ ợ ơ ự ổ ủ ự ế ề ẫ base c a hai s i đ n. Vì cũng có: A = T và G = C (quy lu t Chargaff), nghĩa là (A + G)/ ậ ờ (4) Tính ch t b sung theo c p base d n đ n s b sung v trình t ặ v y, trong DNA s i kép bao gi ậ (T+C) = 1, còn t đ c thù cho t ng loài. (A + T)/(G + X) ợ l ỷ ệ ừ ặ
Mô hình c u trúc DNA (trái) và c u trúc chi ti t c a nó. ấ ấ ế ủ
