So sánh ADN và ARN về cấu tạo, cấu trúc và chức năng

1. ADN và ARN được hiểu như thế nào?

1.1. Tìm hiểu về ARN: 

Cấu tạo hóa học: ARN là một đại phân tử hữu cơ chứa các nguyên tố C (carbon), H (hydrogen), O (oxygen), N (nitrogen), và P (phosphorus).

Cấu trúc đa phân: ARN có cấu trúc đa phân, tức là nó được tạo thành từ các đơn phân gọi là nuclêôtit. Các loại nuclêôtit trong ARN bao gồm A (adenin), U (uracil), G (guanin), và C (cytosin). Sự kết hợp của các loại nuclêôtit này tạo ra tính đa dạng và đặc thù cho ARN.

Cấu trúc mạch đơn: ARN thường có cấu trúc mạch đơn, tức là nó không có cấu trúc kép như ADN (acid désoxyribônuclêic). Trong cấu trúc mạch đơn của ARN, các ribônuclêôtit được liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị giữa nhóm phosphate (H3PO4) của một ribônuclêôtit và đường đường C5H10O5 của ribônuclêôtit kế tiếp. Điều này tạo thành một chuỗi pôli nuclêôtit.

Phân loại ARN: 

ARN thông tin (mARN – messenger RNA): MARN là loại ARN chứa thông tin di truyền và mã hóa thông tin cần thiết để tổng hợp protein. Trong quá trình dịch mã (translation), mARN mang thông điệp từ DNA trong nhân tế bào đến ribosome, nơi protein được tổng hợp. MARN đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thứ tự amino acid trong protein.

ARN vận chuyển (tARN – transfer RNA): tARN là loại ARN có nhiệm vụ vận chuyển các amino acid đến ribosome để tham gia vào quá trình tổng hợp protein. Mỗi loại tARN mang một amino acid cụ thể và có một phần chứa anticodon, giúp nó nhận biết mARN chứa mã điện tử tương ứng để đưa đúng amino acid vào chuỗi protein đang hình thành.

ARN ribosome (rARN – ribosomal RNA): rARN là thành phần chính của ribosome, cấu trúc chịu trách nhiệm cho quá trình tổng hợp protein. Ribosome là “nhà máy” protein của tế bào, nơi mARN và tARN tương tác với nhau để tạo ra chuỗi protein.

ARN mạch đơn và kép: Các loại ARN mạch đơn và kép thường xuất hiện ở các virus và thực hiện nhiều chức năng khác nhau, từ chứa thông tin di truyền đến điều hoà các phản ứng sinh học. Ví dụ, ARN mạch đơn có thể chứa thông tin di truyền của virus và được sao chép để tạo ra các bản sao của virus. ARN kép có thể tự gắn vào DNA của tế bào chủ và kiểm soát hoạt động gen.

ARN ribozyme: Một số phân tử ARN, được gọi là ribozyme, có chức năng tương tự như enzym, tham gia vào các phản ứng sinh học quan trọng. Chúng có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học, ví dụ như cắt nối chuỗi ARN hoặc tự sao chép.

Quá trình tổng hợp ARN:

– Thời gian, địa điểm: Quá trình tổng hợp ARN diễn ra trong nhân tế bào, tại các NST ở kì trung gian đang ở dạng sợi mảnh

– Nguyên tắc: Quá trình tổng hợp ARN dựa theo NTBS, trong đó A trên mạch gốc liên kết với U, T trên mạch gốc liên kết với A, G liên kết với X và X liên kết với G.

– Quá trình tổng hợp:

Bước 1: Khởi đầu

Quá trình phiên mã bắt đầu khi enzym ARN pôlimeraza gắn vào vùng điều hoà của gen trên DNA. Điều này thường xảy ra ở vị trí đặc hiệu gọi là “điểm khởi đầu.”

Bước 2: Kéo dài chuỗi ARN

Enzym ARN pôlimeraza tiến hành tổng hợp chuỗi ARN bằng cách di chuyển dọc theo gen trên DNA.

Chuỗi DNA mạch gốc có chiều 3’ → 5’. ARN pôlimeraza sẽ tổng hợp chuỗi mARN có chiều 5’ → 3’. Điều này đồng nghĩa với việc ARN pôlimeraza di chuyển theo hướng từ đầu gen đến cuối gen.

Trong quá trình tổng hợp mARN, các nucleotide trên mạch DNA sẽ gắn vào mạch mARN theo quy tắc cơ sở gắn nào với nhau:

Adenine (A) trên DNA gắn với Uracil (U) trên mARN trong môi trường tế bào.

Thymine (T) trên DNA gắn với Adenine (A) trên mARN trong DNA.

Bước 3: Kết thúc

Quá trình phiên mã dừng lại khi ARN pôlimeraza gặp tín hiệu kết thúc ở cuối gen. Tín hiệu này thông thường là một loạt các nucleotide đặc hiệu trên DNA.

Khi phiên mã hoàn tất, phân tử ARN mới được giải phóng và tự nhiên xoắn lại thành cấu trúc mạch đơn.

Mạch gốc của DNA mở lại và sẵn sàng cho các quá trình sinh tổng hợp khác hoặc tái tổ hợp gen.

Quá trình này đảm bảo rằng thông tin từ DNA được sao chép vào mARN, điều này là bước quan trọng trong quá trình tổng hợp protein, bởi vì mARN sẽ mang thông điệp đến ribosome để hình thành chuỗi amino acid cụ thể trong quá trình dịch mã.

– Kết quả, ý nghĩa: Từ gen ban đầu tạo ra ARN tham gia quá trình tổng hợp prôtêin ngoài nhân tế bào

1.2. Tìm hiểu về ADN:

Cấu tạo hóa học: ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các nguyên tố C (carbon), H (hydrogen), O (oxygen), N (nitrogen), và P (phosphorus).

Cấu trúc đa phân: ADN có cấu trúc đa phân, tức là nó được tạo thành từ các đơn phân gọi là nuclêôtit. Các loại nuclêôtit trong ADN bao gồm A (adenin), T (thymine), G (guanin), và C (cytosin). Sự kết hợp của các loại nuclêôtit này tạo ra tính đa dạng và đặc thù cho ADN.

Cấu trúc kép của chuỗi nuclêôtit: ADN thường tồn tại dưới dạng hai chuỗi nuclêôtit song song và xoắn quanh nhau theo cấu trúc kép (double helix). Cấu trúc này cho phép thông tin di truyền được lưu trữ và truyền tải một cách hiệu quả.

Cấu trúc không gian:

Cấu trúc kép xoắn kép: ADN thường tồn tại dưới dạng cấu trúc kép, với hai mạch đơn xoắn quanh nhau. Đây là cấu trúc double helix của ADN.

Chiều xoắn và kích thước chu kỳ xoắn: ADN có chiều xoắn từ trái qua phải (xoắn phải). Mỗi chu kỳ xoắn kép dài khoảng 34 Ångström (Å) và chứa 10 cặp nuclêôtit.

Liên kết phosphodiester: Trên cùng một mạch, các nuclêôtit liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester. Điều này bao gồm liên kết giữa phosphate và đường riboze của nuclêôtit tiếp theo trong chuỗi.

Liên kết hiđrô theo Nguyên tắc bổ sung (NTBS): Các nuclêôtit giữa hai mạch đơn của ADN liên kết với nhau bằng liên kết hiđrô theo nguyên tắc bổ sung (complementary base pairing). Theo quy tắc NTBS:

Adenine (A) liên kết với Thymine (T) bằng hai liên kết hiđrô.

Guanine (G) liên kết với Cytosine (C) bằng ba liên kết hiđrô.

Cấu trúc này của ADN quan trọng trong việc lưu trữ và truyền tải thông tin di truyền. Khả năng cặp cơ sở (base pairing) theo quy tắc NTBS giữa các mạch đơn làm cho ADN có thể sao chép chính xác và đảm bảo tính ổn định của thông tin di truyền trong quá trình nhân đôi ADN và truyền thông tin di truyền cho thế hệ sau.

Tỉ số

là tỉ số đặc trưng cho loài.

Cơ chế tự nhân đôi:

– Thời gian, địa điểm: Diễn ra trong nhân tế bào vào kì trung gian

– Nguyên tắc: Quá trình tự nhân đôi của ADN dựa hoàn toàn trên NTBS và nguyên tắc bán bảo toàn (giữ lại một nửa).

– Quá trình:

Bước 1: Tháo xoắn ADN mẹ

Quá trình nhân đôi ADN bắt đầu khi các enzyme tháo xoắn giúp tách hai mạch đơn của phân tử ADN mẹ ra khỏi nhau. Kết quả là hai mạch đơn này tạo thành một hình chữ Y, và một mạch có đầu 3’-OH, còn mạch kia có đầu 5’-P.

Bước 2: Tổng hợp mạch mới

Enzyme ADN-pôlimeraza sử dụng các nucleotide tự do từ môi trường nội bào để tổng hợp mạch mới.

Với mạch khuôn có đầu 3’ (mạch 3’ → 5’), mạch bổ sung được tổng hợp liên tục theo chiều 5’ → 3’.

Với mạch khuôn có đầu 5’ (mạch 5’ → 3’), mạch bổ sung được tổng hợp ngắt quãng tạo thành các đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki. Các đoạn Okazaki sau đó được nối lại với nhau bằng enzyme nối ADN (ligase) để tạo thành mạch liền mạch.

Bước 3: Hoàn thành quá trình

Khi quá trình tổng hợp hoàn tất, hai phân tử ADN mới đã được tạo thành. Mạch mới tổng hợp đến đâu thì hai mạch đơn (một mạch mới và một mạch cũ của phân tử ban đầu) đóng xoắn lại với nhau, tạo thành hai phân tử ADN con.

Quá trình này đảm bảo rằng thông tin di truyền trong phân tử ADN mẹ được sao chép một cách chính xác và đáng tin cậy, và hai phân tử ADN con mới hoàn toàn giống nhau và giống với ADN mẹ ban đầu. Quá trình này quan trọng trong việc truyền thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ sau và trong tái tạo tế bào.

– Kết thúc quá trình nhân đôi: Hai phân tử ADN con được tạo thành có cấu trúc giống hệt nhau và giống ADN mẹ ban đầu.

Gen, chức năng và bản chất của gen:

– Gen là một đoạn của phân tử ADN có chức năng di truyền xác định.

– Bản chất hóa học của gen là ADN

– Chức năng của trọng nhất của gen cũng như ADN là lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền.

2. So sánh ADN với ARN về cấu trúc và chức năng:

2.1. Giống nhau:

Mặc dù ADN (Axit Đeoxyribonucleic) và ARN (Axit Ribonucleic) khá khác biệt, nhưng cũng có một số điểm giống nhau về cấu tạo, cấu trúc và chức năng:

– Cấu tạo cơ bản:

Cả ADN và ARN đều là các loại axit nucleic, tức là chúng được tạo thành từ các đơn phân gọi là nucleotide.

Cả ADN và ARN chứa các nguyên tố hóa học chung như carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), và phosphorus (P).

– Đơn phân của nucleotide: Cả ADN và ARN đều có các đơn phân nucleotide bao gồm một phần đường riboze (ribose sugar), một loại base nitơ, và một phần phosphate. Base nitơ trong nucleotide của ADN bao gồm Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G), và Cytosine (C), trong khi base nitơ trong nucleotide của ARN bao gồm Adenine (A), Uracil (U), Guanine (G), và Cytosine (C).

– Chức năng di truyền: Cả ADN và ARN đều tham gia vào việc truyền tải và lưu trữ thông tin di truyền của các hệ thống sống. ADN lưu trữ thông tin di truyền và ARN mang thông điệp từ ADN đến ribosome để tổng hợp protein.

– Cấu trúc mạch đơn: Cả ADN và ARN có thể tồn tại dưới dạng các mạch đơn (single-stranded). Mặc dù ADN thường tồn tại dưới dạng cấu trúc kép xoắn kép (double helix), nhưng mạch đơn của nó có thể tách ra và được sử dụng trong quá trình sao chép và tái tổng hợp.

– Tham gia vào quá trình tổng hợp protein: Cả ADN và ARN đều có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein. ADN lưu trữ thông tin cần thiết để tạo ra các protein, trong khi ARN mang thông điệp từ ADN đến ribosome để thực hiện việc tổng hợp protein.

2.2. Khác nhau:

* Cấu tạo:

– ADN:

ADN có cấu trúc kép xoắn kép (double helix). Hai mạch đơn của ADN xoắn quanh nhau.

Đơn phân của ADN bao gồm các nucleotide chứa các loại base: Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G), và Cytosine (C).

Đường đường riboze kết hợp với các nucleotide trên mạch.

– ARN:

ARN thường có cấu trúc mạch đơn (single-stranded). Nó không có cấu trúc kép như ADN.

Đơn phân của ARN cũng bao gồm các nucleotide, nhưng thay vì Thymine (T), ARN chứa Uracil (U) thay thế.

* Cấu trúc:

– ADN:

ADN có chuỗi phụ thuộc vào chuỗi kia thông qua quy tắc cặp cơ sở: A gắn với T bằng hai liên kết hydro và G gắn với C bằng ba liên kết hydro. Điều này tạo nên tính đối xứng trong cấu trúc của ADN.

ADN thường tồn tại dưới dạng cấu trúc kép xoắn kép (double helix).

– ARN:

ARN không có cấu trúc đôi bằng vì nó là mạch đơn. Mỗi nucleotide trong ARN có thể tự do tạo liên kết với nucleotide trước và sau nó trên cùng một mạch.

ARN có khả năng gấp thành các cấu trúc phụ thuộc vào chuỗi nucleotide và chức năng của nó.

* Chức năng:

– ADN:

ADN lưu trữ thông tin di truyền của một hệ thống sống. Nó chứa các gen mà mã hóa thông tin để tạo ra các protein và thực hiện các chức năng di truyền.

ADN thường nằm trong nhân tế bào và được sao chép trong quá trình nhân đôi ADN để truyền thông tin di truyền cho thế hệ sau.

– ARN:

ARN tham gia vào các quá trình biểu đạt gen (gene expression) bằng cách mang thông điệp từ ADN đến ribosome, nơi tổng hợp protein diễn ra.

ARN cũng tham gia vào các chức năng khác nhau trong tế bào, chẳng hạn như ARN ribosomal (rARN) là một phần của ribosome và đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein.

Tóm lại, ADN và ARN có cấu trúc, cấu trúc và chức năng khác nhau. ADN chủ yếu là nơi lưu trữ thông tin di truyền, trong khi ARN tham gia vào biểu đạt gen và nhiều chức năng sinh học khác trong tế bào sống.

3. Bài tập vận dụng: 

Câu 1: Một đoạn ARN có trình tự sắp xếp của các nuclêôtit như sau: -A-G-U-A-U-X-G-U- . Xác định trình tự các nuclêôtit trong đoạn gen đã tổng hợp ra đoạn mạch ARN trên

Trả lời

Đoạn ARN có trình tự sắp xếp của các nuclêôtit: -A-G-U-A-U-X-G-U-

Trình tự các nuclêôtit trong đoạn gen đã tổng hợp ra đoạn mạch ARN trên:

Mạch gốc: -T-X-A-T-A-G-X-A-

Mạch bổ sung: -A-G-T-A-T-X-G-T-

Câu 2: Trong tế bào nhân sơ, xét một gen dài 4080 Å, có 560 Ađênin. Mạch đơn thứ nhất của gen có 260 Ađênin và 380 Guanin, gen này phiên mã cần môi trường nội bào cung cấp 600 Uraxin.

1. Tính số lượng từng loại nuclêôtit trên gen.

2. Tính số lượng từng loại nuclêôtit trên mạch mang mã gốc của gen.

3. Tính số lượng nuclêotit từng loại trên mARN do gen phiên mã.

Trả lời

1. Tính số lượng từng loại nuclêôtit trên gen.

     – N =(4080 x 2)/3,4 = 2400 (nuclêôtit)

     – A = T = 560 → G = X = (2400 – 2 x 560)/ 2 = 640.

2. Tính số lượng từng loại nuclêôtit trên mạch mang mã gốc của gen.

   Theo NTBS, A1 = T2 = 260

    G1 = X2 = 380.

    X1 = G2 = Ggen – G1= 640 – 380 = 260.

    T1 = A2 = A – A1 = 560 – 260 = 300.

   Do Umtcc = Agốc= 600 → mạch 2 là mạch gốc.

3. Tính số lượng nuclêotit từng loại trên mARN do gen phiên mã.

   Do mạch 2 là mạch gốc nên trên mARN có

   A = Tgốc = 260; U = Agốc = 300; G = Xgốc = 380; X = Ggốc = 260.

Câu 3: ADN dài 5100Å với A = 20%. Nhân đôi liên tiếp 3 lần, số liên kết hiđrô bị phá vỡ là bao nhiêu ?

Trả lời

   Tổng số nuclêôtit của gen là: (5100 x 2) : 3,4 = 3000 (nuclêôtit)

   Số nuclêôtit mỗi loại của gen là:

   A = T = 3000 x 20% = 600 (nuclêôtit)

   G = X = 3000 x 30% = 900 (nuclêôtit)

   Tổng số liên kết hiđrô ở mỗi phân tử ADN là: 2A + 3G = 2 x 600 + 3 x 900 = 3900

   Số liên kết hiđrô bị phá vỡ: 3900 x (1 + 2 + 4) = 27300 (liên kết hiđrô)