Tính đa dạng và sự tồn tại rộng rãi của acid nucleic trong các loại tế bào, vi sinh vật và cả virus thể hiện vai trò cơ bản của chúng trong sự duy trì và phát triển của mạng sống. Khả năng lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền đã mở ra nhiều cánh cửa trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế, từ việc hiểu di truyền bệnh tới phát triển dược phẩm và công nghệ sinh học tiên tiến.
Mục lục bài viết
1. Axit Nucleic là gì?
Axit nucleic là một trong những thành phần cơ bản của tất cả các hệ thống sống và có vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền.
Acid nucleic thực sự là “ngôn ngữ di truyền” trong sinh học, mang trách nhiệm lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Dưới dạng DNA và RNA, acid nucleic đóng vai trò chính trong quá trình biểu diễn thông tin genetica, quyết định cấu trúc và chức năng của tất cả các thành phần trong cơ thể.
Sự tương tác giữa các loại acid nucleic, protein và các hợp chất hữu cơ khác làm nên sự phức tạp và đa dạng của các hệ thống sống. Các thông tin genetica được “đọc” và “thực hiện” thông qua các quá trình như transkription (chuyển mã) và translation (dịch mã), trong đó RNA đóng vai trò trung gian quan trọng.
Khám phá của Friedrich Miescher vào năm 1869 đã mở ra cánh cửa cho sự hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc và chức năng của acid nucleic. Từ đó, nghiên cứu về acid nucleic đã đóng góp quan trọng cho việc giải mã mã genetica và hiểu rõ hơn về cơ chế di truyền thông qua các thế hệ.
Tính đa dạng và sự tồn tại rộng rãi của acid nucleic trong các loại tế bào, vi sinh vật và cả virus thể hiện vai trò cơ bản của chúng trong sự duy trì và phát triển của mạng sống. Khả năng lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền đã mở ra nhiều cánh cửa trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế, từ việc hiểu di truyền bệnh tới phát triển dược phẩm và công nghệ sinh học tiên tiến.
2. Các loại Axit Nucleic?
Có 2 loại axit nuclêic gồm có: axit đêôxiribônuclêic (ADN) và axit ribônuclêic( ARN).
2.1. Axit đêôxiribônuclêic (ADN)
a.Thành phần cấu tạo của ADN:
– Thành phần hóa học của ADN: ADN chứa năm nguyên tố hóa học là Carbon (C), Hydrogen (H), Oxygen (O), Nitrogen (N), và Phosphorus (P). Các nguyên tố này cùng đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cấu trúc của ADN.
– Cấu tạo đa phân của ADN: ADN được cấu tạo từ các đơn phân gọi là nucleotide. Mỗi nucleotide bao gồm ba thành phần chính: đường đêoxyribose (một loại đường tổng hợp), nhóm phốtphat (PO43-), và một trong bốn loại bazơ nitơ: A (Adenine), T (Thymine), G (Guanine), hoặc C (Cytosine). Đường đêoxyribose và nhóm phốtphat tạo nên phần “cột sống” của sợi ADN, còn bazơ nitơ tạo nên phần “bậc thang” của sợi ADN.
– Loại bazơ nitơ: ADN có bốn loại bazơ nitơ: A, T, G và C. Hai cặp bazơ này tạo thành các cặp kết nối trong sợi đôi của ADN. A kết hợp với T bằng liên kết hidro, còn G kết hợp với C cũng bằng liên kết hidro. Sự kết hợp này tạo thành cấu trúc bậc thang với các bậc của bazơ nitơ.
Cấu tạo của ADN là một trong những khía cạnh quan trọng của di truyền, và nó cho phép quá trình sao chép và truyền thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
b.Cấu trúc ADN:
Chuỗi xoắn kép: Mô hình Watson và Crick mô tả ADN như một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch pôlinuclêôtit chạy song song và ngược chiều nhau. Hai mạch này xoắn quanh một trục chính tạo thành cấu trúc “bậc thang” xoắn kép của ADN.
Số cặp nuclêôtit và độ dài vòng xoắn: Một vòng xoắn của ADN gồm 10 cặp nuclêôtit và có độ dài khoảng 3,4 nanometer (nm). Đường kính của xoắn khoảng 2 nm.
Liên kết trong mạch đơn: Các nuclêôtit trong cùng một mạch đơn của ADN được nối với nhau bằng liên kết hóa học giữa nhóm axit phosphoric của nuclêôtit này và đường đường ở carbon 5 (C5) của nuclêôtit kế tiếp. Liên kết này tạo thành chuỗi polynucleotide.
Liên kết giữa hai mạch: Hai mạch đơn của ADN được nối với nhau bởi các liên kết hidro qua các cặp bazơ. Cụ thể, Adenine (A) liên kết với Thymine (T) bằng hai liên kết hidro, trong khi Guanine (G) liên kết với Cytosine (C) bằng ba liên kết hidro. Đây là nguyên tắc bổ sung, đảm bảo rằng các cặp bazơ luôn liên kết một cách cụ thể: A với T và G với C.
Tỉ lệ A+T và G+X: Tỉ lệ giữa tổng số cặp Adenine (A) và Thymine (T) so với tổng số cặp Guanine (G) và Cytosine (X) trong ADN thường không thay đổi với mỗi loài. Tỉ lệ này thường được dùng để xác định loài và được gọi là tỉ số GC (Guanine-Cytosine content) hoặc AT (Adenine-Thymine content) của ADN.
Tính chất của ADN:
– Đa dạng và đặc thù: Mỗi loài sinh vật có một loại ADN riêng biệt với cấu trúc độc đáo. Sự khác biệt trong số lượng, thành phần và trình tự của các nuclêôtit tạo nên sự đa dạng và đặc thù của ADN trong mỗi loài. Đây là lý do tại sao ADN có thể được sử dụng để phân biệt và xác định các loài khác nhau.
– Cơ sở cho tính đa dạng và đặc thù của loài: Cấu trúc đa dạng của ADN là nguồn cung cấp thông tin di truyền cho các đặc điểm cụ thể của mỗi loài. Thông tin trong ADN quyết định về các đặc điểm hình thái, sinh học và di truyền của mỗi cá thể trong loài.
Chức năng của ADN:
– Lưu trữ thông tin di truyền: ADN là nguồn lưu trữ chính cho thông tin di truyền của mỗi loài. Trình tự của các nuclêôtit trên chuỗi ADN chứa mã gen, quy định các đặc điểm di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
– Bảo quản thông tin di truyền: ADN được bảo vệ trong nhân của tế bào, nơi mà thông tin di truyền được bảo tồn và duy trì qua nhiều thế hệ tế bào.
– Truyền đạt thông tin di truyền: Thông tin trong ADN được truyền từ thế hệ cha mẹ sang con cái trong quá trình sinh sản, đảm bảo sự liên tục và thay đổi di truyền qua thế hệ.
– Quy định tổng hợp protein: ADN thông qua quá trình sao chép (transcription) tạo ra ARN, sau đó ARN này tham gia quá trình dịch mã (translation) để tạo ra các phân tử protein. Protein là các thành phần cơ bản của tế bào và thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong cơ thể.
2.2. Axit ribônuclêic( ARN):
a.Cấu trúc của ARN:
– Đa phân cấu trúc: Tương tự như ADN, ARN cũng là một loại acid nucleic có cấu trúc đa phân. Đơn phân của ARN là các nucleotide.
– Nucleotide trong ARN: Mỗi nucleotide trong ARN bao gồm ba thành phần chính:
+ Đường ribozơ (ribózơ): Đây là phần đường đơn giản có cấu trúc bao gồm năm carbon (C5H10O5). Đường ribozơ khác biệt với đường deoxyribozơ trong ADN bởi sự hiện diện của một nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí C2.
+ Nhóm phosphat (PO43-): Đây là nhóm phosphate nằm ở vị trí C3 của đường ribozơ. Nhóm phosphat tham gia vào các liên kết hóa học quan trọng trong quá trình tạo nên chuỗi ARN.
+ Bazơ nitơ: Mỗi nucleotide chứa một trong bốn loại bazơ nitơ: Adenine (A), Uracil (U), Guanine (G) và Xanthine (X). Khác với ADN, thay vì Thymine (T) trong ADN, ARN sử dụng Uracil (U). Đây là một điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại acid nucleic.
– Chuỗi polynucleotide trong ARN: Trong đa số trường hợp, phân tử ARN thường chỉ gồm một chuỗi polynucleotide. Điều này khác với ADN mà có thể có cấu trúc sợi đôi. Điều này khiến ARN có nhiều chức năng đa dạng và phong phú hơn, bao gồm việc truyền đạt thông tin di truyền và tham gia trong quá trình tổng hợp protein
b.Phân loại
Phân loại ARN gồm 3 loại:
– mARN (ARN thông tin):
+ Mô tả: ARN thông tin (mARN) là loại ARN mang thông tin di truyền từ ADN đến ribosom để tổng hợp protein.
+ Chức năng: Mạch mARN chứa thông tin di truyền về trình tự của các axit amin trong một chuỗi protein. Quá trình chuyển mã diễn ra khi mã di truyền trên ADN được sao chép thành mARN trong quá trình gọi là transkript. MARN sau đó sẽ di chuyển tới ribosom trong tế bào để tham gia vào quá trình dịch mã, trong đó các axit amin được xây dựng thành protein theo trình tự mARN.
– tARN (ARN vận chuyển):
+ Mô tả: ARN vận chuyển (tARN) là loại ARN nhỏ có cấu trúc dạng “chữ T” và chức năng đặc biệt trong quá trình dịch mã.
+ Chức năng: Mỗi tARN chứa một loại axit amin cùng với một chuỗi ba chữ của mARN gọi là codon. TARN tham gia vào quá trình chuyển mã bằng cách ghép nối đúng axit amin vào chuỗi protein đang được tổng hợp theo trình tự trên mARN.
– rARN (ARN ribosom):
+ Mô tả: ARN ribosom (rARN) là thành phần chính của ribosom, cấu trúc chịu trách nhiệm tổng hợp protein.
+ Chức năng: rARN tạo thành một phần lớn của ribosom, cấu trúc chuyên dùng để tổng hợp protein. rARN không mang thông tin trình tự amino acid như mARN, mà tham gia vào quá trình tổng hợp protein bằng cách giữ và cấu trúc các tRNA và mARN cùng nhau, tạo điều kiện để các tRNA nối liền các axit amin theo đúng trình tự để tạo thành chuỗi protein.
3. Vai trò của Axit Nucleic là gì?
ADN (Axit Deoxyribonucleic): Là cơ sở vật chất chính để lưu trữ và bảo quản thông tin di truyền. ADN chứa các gen, mỗi gen mang thông tin mã hóa cho một hoặc nhiều protein cụ thể. Quá trình sao chép ADN (quá trình sao chép gen) là quá trình quan trọng để tạo ra các bản sao của thông tin di truyền để chuyển giao cho thế hệ kế tiếp. ADN cũng tham gia vào quá trình điều chỉnh và kiểm soát các hoạt động của tế bào thông qua việc điều chỉnh biểu đạt gen.
ARN (Axit Ribonucleic): ARN có nhiều loại khác nhau với các chức năng quan trọng trong quá trình sản xuất protein từ thông tin di truyền.
ARN thông tin (mARN): Là bản sao sao chép từ gen trên ADN và chứa thông tin cụ thể về trình tự amino acid để tổng hợp protein. Quá trình này gọi là quá trình dịch mã (translation).
ARN vận chuyển (tARN): Đóng vai trò trong việc mang amino acid từ cytoplasm đến ribosome để tham gia quá trình tổng hợp protein. Mỗi tARN mang một amino acid cụ thể và có sự tương ứng với một loại triplet nuclêôtit trên mARN, gọi là codon.
ARN ribosome (rARN): Là một phần của ribosome, cấu trúc trong tế bào tham gia vào quá trình dịch mã. Ribosome giúp kết hợp các amino acid theo trình tự được xác định bởi mARN để tạo thành protein.
ARN tiểu phân tử (miARN): Đây là loại ARN khác có vai trò trong quá trình điều chỉnh biểu đạt gen. MiARN có khả năng tương tác với mARN để điều chỉnh mức độ biểu đạt của các gen, ảnh hưởng đến quá trình phát triển và hoạt động của tế bào.
